Книги
Тайны чисел: Математическая одиссея
В конце главы я объясню, как расцепить кольца, не разрезая.
Откуда мы знаем, что не живем на планете в форме бублика?
В древние времена люди полагали, что Земля плоская. Но, как только они начали путешествовать на большие расстояния, вопрос крупномасштабной формы Земли стал особенно важен. В плоском мире, как считалось, при достаточно долгом странствии можно дойти до края и упасть с него – если, разумеется, мир не бесконечный и тогда нельзя достичь края.
Во многих культурах начали осознавать, что Земля, скорее всего, изогнута и конечна. Самое очевидное предположение для ее формы, несомненно, шар, и несколько древних математиков сделали невероятно точные расчеты его размера, основываясь только на анализе того, как изменяется тень на протяжении дня. Но почему ученые могли быть уверены, что поверхность Земли не сложена в какую-то более интересную форму? Откуда они знали, что мы не живем, скажем, на поверхности гигантского бублика, подобно космонавту из «Астероидов», запертому в своей бубличной двумерной вселенной?
Чтобы найти ответ, отправимся в воображаемое путешествие в этих альтернативных мирах. Давайте поместим исследователя на поверхность планеты и скажем ему, что он находится либо на идеальной сфере, либо на идеальном бублике. Как он сумеет различить эти две возможности? Мы предложим ему взять ведерко белой краски и кисть и идти по прямой линии по поверхности планеты, отмечая свой путь. В конечном счете исследователь вернется на то место, с которого начал движение, прочертив при этом гигантский белый круг вокруг планеты.
Теперь мы дадим ему ведерко с черной краской и скажем идти в другом направлении. На сферической поверхности Земли, какое бы новое направление он ни выбрал, черный путь всегда пересечет белый путь до того, как исследователь вернется к старту. Помните, что он всегда путешествует по прямой линии на поверхности. Точкой, где два пути пересекутся, будет «полюс», противоположный точке, с которой исследователь начинает движение.
На поверхности планеты, имеющей форму бублика, положение вещей совсем другое. При путешествии с белой краской исследователь мог отправиться к внутренней части бублика, пройти через дырку и выйти на другой стороне. Но если при путешествии с черной краской он отправится по пути, образующему угол 90° с белым путем, то он пройдет вокруг дырки, не заходя внутрь ее. Итак, возможно совершить два путешествия, у которых пересечение происходит лишь в месте начала движения.
Проблема в том, что поверхность планеты, вообще говоря, не является идеальной сферой либо поверхностью идеального бублика – она искажена. По планете могут ударить метеориты и оставить вмятины, так что исследователь, путешествующий по прямой линии, дойдя до вмятины или нароста, изменит направление своего движения. В действительности вполне может быть такое, что исследователь, начав движение по прямой линии, никогда не вернется в точку старта. Поскольку формы с вмятинами представляют собой лишь слегка искаженные версии сферы или поверхности бублика, возможно, существуют другие способы различить их? Именно здесь проявляется сила топологического подхода, потому что для него не столь важен кратчайший путь между точками, а то, можно ли преобразовать один путь в другой.
Давайте теперь отправим нашего исследователя в путь с белой эластичной веревкой, которую он будет класть на поверхность за собой. Когда путешественник снова вернется к началу, он соединит концы веревки, так что получится петля вокруг планеты. Затем он пойдет в другом направлении с черной эластичной веревкой, пока не вернется к месту старта. Если планета представляет собой шар с несколькими пиками или провалами, то исследователь сможет, не разрезая веревки, переместить черную петлю поверх белой. Но, если у планеты форма бублика, такое не всегда возможно. Если черная веревка обернута вокруг планеты, заходя в дырку бублика, а белая веревка уложена по кругу, проходящему по внешнему краю бублика, то нельзя совместить черную и белую петли, не разрезая их. Итак, путешественник сможет сказать, есть ли в планете дыра, совершив несколько путешествий. Не покидая поверхности планеты, он выяснит, какова ее форма.
Вот два других, более курьезных способа сказать, находитесь ли вы на планете в форме шара или в форме бублика. Представьте, что обе планеты покрыты мехом. Исследователь на бублике сумеет так причесать его, что мех всюду будет лежать гладко. Например, зачесывая мех в дыру с одной стороны и из дыры с другой стороны. Но у исследователя на меховом шаре будут проблемы; как бы он ни старался, обязательно найдется место, где мех будет торчать.
Любопытно, что у этого обстоятельства имеется странное следствие для погоды на этих двух планетах. Можно представить, что направление меха характеризует то направление, в котором дует ветер в этих двух различных мирах. На шаре всегда найдется место, где не дует ветер (там, где торчит мех). Но на бублике ветер может дуть по всей планете.
Другое отличие этих двух планет состоит в картах, которые на них могут быть нарисованы. Поделите каждую из планет на разные страны и затем попытайтесь раскрасить карты так, чтобы любые две страны с общей границей были окрашены в разные цвета. Для сферической поверхности Земли вам всегда будет достаточно лишь четырех красок. Поглядите на фрагмент карты Европы, на то, как Люксембург втиснулся между Германией, Францией и Бельгией, – и становится понятно, что нужны как минимум четыре краски. Но удивительно именно то, что больше и не потребуется – не существует возможности перекроить границы в Европе так, чтобы заставить картографов покупать пятую краску. Но доказать это утверждение нелегко. Для этого математикам пришлось прибегнуть к помощи компьютера – он проверил несколько тысяч карт, чтобы удостовериться, что не существует какой-то патологической, для которой понадобится пятая краска. На рисование всего этого от руки ушло бы слишком много времени.
А что же у картографов, живущих на планете в форме бублика, – сколько ведерок с краской потребуется им? Оказывается, существуют карты для поверхности бубличной планеты, для которых нужны семь красок. Вспомните, как для игры «Астероиды» мы сворачивали прямоугольный экран, чтобы изготовить бублик. Мы соединяли верх и низ, чтобы сделать цилиндр, а затем соединяли концы цилиндра и получали бублик. На рис. 2.44 представлена карта для поверхности бублика до проведения этих соединений. Для раскрашивания этой карты нужно семь красок.
Теперь, после того как мы совершили путешествие по математике пузырей и бубликов, фракталов и пены, мы готовы взяться за наиглавнейший вопрос математики формы.
Какова форма нашей Вселенной?