Дифференциальная топология и гомология

Теоретическая физика испытала весьма значительное преобразование — хотя это пока и не настоящая куновская смена парадигмы — в 70 и 80 годах, но это преобразование на взгляд большинства внешних наблюдателей прошло незамеченным: к традиционным орудиям математической физики (действительный и комплексный анализ), которая может лишь локально заниматься пространственно-временным многообразием, были добавлены топологические методы (или, более точно, методы дифференциальной топологии⁵²), описывающие глобальную (холистскую) структуру универсума. Эта тенденция видна на примере анализа аномалий в теориях измерений⁵³ в теории фазовых переходов, совершаемых в завихрениях⁵⁴; в теориях струн и сверхструн⁵⁵. За эти годы было опубликовано множество книг и журнальных статей о «топологии для физиков»⁵⁶.

В те же самые времена в сфере социальных и психологических наук Жак Лакан указал на существенную роль, играемую дифференциальной топологией:

Эта диаграмма [лента Мебиуса] может быть рассмотрена как основание некоей изначальной надписи, находящейся в ядре, конституирующем субъекта. Это значит гораздо больше, чем вы сперва могли бы подумать, поскольку вы можете поискать тип поверхности, способной принимать такие надписи. Вы, возможно заметите, что сфера, древний символ цельности, не подходит. Подобный разрез способны принимать на себя тор, бутылка Кляйна, поверхность cross-cut. Причем само разнообразие весьма важно, поскольку оно многое объясняет в структуре душевных заболеваний. Если субъекта можно символизировать таким фундаментальным разрезом, точно так же можно показать, что разрез на торе соответствует невротическому субъекту, а разрез на поверхности cross-cut — другому виду душевного заболевания⁵⁷,⁵⁸.

Как верно заметил Альтюссер, «Для этого достаточно признать, что Лакан в конечном счете наделяет мысль Фрейда теми научными понятиями, которые она требует⁵⁹». Совсем недавно топология субъекта Лакана была плодотворно применена к кинематографической критике⁶⁰ и к психоанализу СПИДа⁶¹. Говоря на языке математики, Лакан в рассматриваемом пункте указывает на то, что первая гомологическая группа⁶² сферы тривиальна, тогда как группы других структур сложны; эта гомология связана с тем, что поверхность становится связанной или развязанной после одного или нескольких разрезов⁶³. Кроме того, существует, как догадывался и сам Лакан, тесная связь между внешней структурой физического мира и его внутренней репрезентацией в качестве теории узлов: эта гипотеза недавно была подтверждена дифференцированием инвариантов узлов(и, в частности, полинома Джонса⁶⁴), проведенным Витгеном, исходя из квантовой теории трехмерных полей Черна-Саймонса⁶⁵.

Аналогичные топологические структуры появляются в квантовой гравитации, но, ввиду того, что в игру вступают не столько двухмерные, сколько многомерные многообразия, равную роль начинают играть и высшие гомологические группы. Эти многомерные многообразия не могут быть визуализированы в условном картезианском пространстве трех измерений: к примеру, проективное пространство RP, образующееся при отождествлении антиподов обычной сферы, потребовало бы от евклидова пространства увеличения измерений примерно до 5⁶⁶. Тем не менее, высшие гомологические группы могут восприниматься, по крайней мере приблизительно, благодаря подходящей многомерной (нелинейной) логике⁶⁷,⁶⁸.

Теория многообразий: всё и границы, границы и дыры

В своей знаменитой статье «Наделен ли полом субъект науки?» Люси Иригарей указывает на то, что

В теории множеств математические науки интересуются открытыми и закрытыми пространствами […]. Они почти совсем не уделяют внимания вопросу приоткрытого, нечетких множеств, всего того, что рассматривает проблему краев⁶⁹ […]

В 1982 году, когда эссе Иригарей появилось в первый раз, оно оказалось весьма сильной критикой: дифференциальная топология традиционно отдавала дань предпочтения исследованию того, что в технических терминах называется «многообразиями без границы». Но в последнее десятилетие некоторые математики под влиянием феминистской критики уделили особое внимание теории «многообразий с границей⁷⁰». И, быть может, нет никакого совпадения в том, что именно эти многообразия появляются в новой физике теории конформных полей, теории сверхструн и квантовой гравитации.

В теории струн квантовая амплитуда, необходимая для взаимодействия между и закрытыми или открытыми струнами представлена функциональным интегралом (в основе являющимся суммой) по полям, которые располагаются на двухмерном многообразии с границей⁷¹. В квантовой гравитации мы можем ожидать, что картина будет схожей, за исключением того, что двухмерное многообразие с границей будет замещено многомерным. К несчастью многомерность направлена против течения устоявшейся линейной математической мысли, и, несмотря на недавние открытия (связанные главным образом с изучением многомерных нелинейных феноменов в теории хаоса), теория многомерных многообразий с границей остается не очень развитой. Тем не менее, работа физиков по приближению функционального интеграла к квантовой гравитации идет своим чередом⁷², а эта работа несомненно вызовет интерес у математиков⁷³.

Иригарей предвосхитила важный вопрос всех этих теорий: можно ли нарушить (пересечь) границы, и что происходит в случае их пересечения? Эта проблема известная под техническим наименованием «условий границы». На чисто математическом уровне наиболее поразительной характеристикой этих условий границы оказывается разнообразие возможностей: к примеру, «условия со свободными границами» (когда нет препятствий, которые нужно было бы преодолевать), «условия с отражающими границами» (зеркальное отражение), «условия с периодическими границами» (возвращение к другому месту многообразия) и «условия с антипериодическими границами» (возвращение с разворотом на 180°). Вот вопрос, который ставят физики: какие из всех этих возможных условий границы реально появятся в репрезентации квантовой гравитации? Или, быть может, они появятся все одновременно, в качестве равноправных элементов, как на то указывает принцип дополнительности⁷⁴?

Дойдя до этого пункта, я должен остановить мое изложение развития физики по той простой причине, что ответ на эти вопросы — даже если предположить, что он должен быть однозначным — пока неизвестен. В оставшейся части моего эссе я буду отправляться от достаточно хорошо установленных (по крайней мере в пределах норм обычной науки) характеристик теории квантовой гравитации и попытаюсь извлечь из них философские и политические следствия.