Врезка 2. Эйнштейн – о топологии

Однажды А. Эйнштейна попросили совсем кратко, на понятном любому языке, пояснить, в чем состоит суть сделанных им откры­тий. Он ответил: все мы, люди, словно маленькие жучки с завя­занными глазами, ползающие но поверхности большого мяча и во­ображающие, что двигаемся но плоскости. Я же первый понял, что мир, в котором я живу, искривлен. Но пока не совсем понятно, как именно он искривлен. (То есть, «по‑ научному», каков топологиче­ский тип космоса. )

А вот к чему. Несколько лет назад математик Г. Перельман установил похожий факт, но только в пространстве больших из­мерений. Факт про фигуры в многомерном пространстве, которые локально похожи на искривленное трехмерное пространство. Мы живом в трехмерном пространстве, мы четвертого измерения не ви­дим и не чувствуем. Мы можем только рассуждать, что четвертое измерение это время, но объять его взором не можем. Поэто­му мы не можем говорить так спокойно и убежденно, что сделать из шара тор в пространстве больших измерений нельзя. (Ведь в 4­мерном пространстве, как указывалось выше, МОЖНО, не нару­шая правил топологии, превратить незаметным образом человека с сердцем, расположенным слева, в человека с сердцем, располо­женным справа. )

Нам нужен язык, на котором это можно доказать. И вот для то­го, чтобы это можно было доказывать, для того чтобы через много лет Перельман смог доказать «гипотезу Пуанкаре» (после того как ее доказали, она вместо гипотезы Пуанкаре стала называться те­оремой Перельмана или Пуанкаре Перельмана), Эйлер начал большой путь. Он перевел то, что мы с вами считаем очевидным, в точное, железобетонное математическое рассуждение. Как же он это сделал? Он нарисовал на поверхности шара, мяча, арбуза, гло­буса, любого круглого объекта некоторую карту. Иными словами, некий искривленный многогранник (рис. 29).

С точки зрения топологии, любой многогранник это тоже шар. Тетраэдр это шар. куб это шар. октаэдр, любой парал­лелепипед это всё шары. Например, потому что если их выпол­нить из резины и надуть, то получится футбольный мяч. то есть шар. Но до работ Эйлера еще не было «точки зрения топологии», так как не было и самой топологии.

Эйлер «чувствовал», что все эти объекты одинаковые. В чём именно? И как это объяснить остальным людям? В особенности его интересовал вопрос: как доказать, что поверхность шара, по­верхность бублика, поверхность кренделя неодинаковые? 8 В ответ на первый вопрос ясность позже внес Анри Пуанкаре (после то­го, как Огюст Коши внес должную ясность в вопрос, что такое «непрерывная функция»). Однако Эйлер сразу обратился ко вто­рой задаче (о доказательстве неодинаковости двух поверхностей) и блестяще решил ее.

Эйлер сделал следующее. Он нанес на поверхность шара мно­гогранник картиночку «стран», причем страны необязательно треугольные (рис. 30). (Если говорить о «странах», то надо по­мнить, что рассматривается «Земной шар», не содержащий морей и океанов. ) При этом вся поверхность шара должна быть покрыта многоугольниками.

Главное, чтобы каждая страна была простым плоским объек­том, без дырочек, как круг или квадрат. И далее он сделал то же самое с велосипедной камерой. Нанес такой многогранник, ко­торый является как бы «остовом» каретного колеса (машинных колес в то время еще не было! ). При этом вовсе не обязательно, чтобы количество и вид граней, а также количество вершин и ре­бер этого многогранника для шара и для колеса были одинаковы.

Более того, они и не могут быть одинаковыми (как мы увидим ниже).

А потом стал считать у этих многогранников эйлерову харак­теристику: величину В – Р + Г.

Число вершин минус число ребер плюс число граней. Как бы мы ни мяли и ни изгибали шар, наши грани – «страны» от это­го не меняются. (Но, конечно, нельзя так смять страну, чтобы она вся превратилась в отрезок. Такого даже во время наполеоновских войн не происходило! А если говорить серьезно, то отрезок – од­номерный объект, а страна – двумерный. ) То есть вершины оста­ются вершинами, ребра – ребрами, а грани – какими были (на­пример, изогнутым пятиугольником или треугольником), такими и остались. А значит, величина В – Р + Г не меняется. Теперь счи­таем эту величину на колесе (по науке поверхность колеса (или бублика) называется словом «ТОР». А тор, заполненный внутри, называется полнот, орием. Поверхность же шара называется, как известно, сферой). И если сфера может перейти в тор, то картинка на шаре перейдет в картинку на колесе. И, значит, их эйлерова характеристика должна быть одинакова.

Докажем, однако, что у любой фигуры, нарисованной на колесе, эйлерова характеристика равна 0, а у любой фигуры на шаре – равна 2.

Слушатель: А если бы получилась одна и та же цифра, то что?

А. С.: Мы не смогли бы сделать из этого никакого вывода. Мы бы не смогли сделать вывод, что они одинаковые, но не смогли бы сделать и вывод, что они разные. Но ведь есть и другие подходы, кроме формулы Эйлера. Для более сложных случаев.