Константин Крамаренко - Вещи не то, чем кажутся. 100 фреймов УНИВЕРСУМА

Сегодняшняя реальность такова, что развитие цивилизации позволило создать технику и технологии по преодолению пространства, но до сих пор не созданы хронотехнологии, обеспечивающие путешествие во времени. Остаётся надеяться, что в недалёком будущем появятся технологические решения и этой проблемы.

Топология, по сути, является наукой о пространстве. Её возникновению предшествовал длительный период развития математической мысли. Геометрия Евклида в течение двух тысячелетий рассматривалась в качестве единственной геометрии нашего мира. Однако работы Лобачевского и Гаусса показали, что она является лишь одним из типов геометрий, которые могут быть реализованы не только как объекты математического мышления. Великое достижение математической мысли конца XIX и начала XX века, как отмечал немецкий математик Гильберт, заключалось в том, что удалось изгнать чертежи из математики и свести геометрию к алгебре. Возникновение алгебраической геометрии явилось предтечей топологии, которая пошла ещё дальше в своём развитии. В отличие от алгебраической геометрии, изучающей метрические свойства пространства, топология сконцентрировала своё внимание на его качественных свойствах.

С точки зрения топологии, выделяются количественные и качественные (собственно топологические) свойства пространства [4]. К количественным свойствам относятся кривизна, измерение углов, измерение площадей. Качественные свойства пространства представлены размерностью, ориентированностью, связанностью.

Немецкий математик Гаусс ввёл понятие кривизны или деформации пространства, а также разработал метод, позволяющий исследовать искривление той или иной поверхности. Он создал обобщающую систему координат, где угол между осями может быть криволинейным. Кратчайшее расстояние между двумя точками в обобщённой системе координат получило название геодезической линии. Изменился постулат о параллельных прямых в евклидовой геометрии, согласно которому через точку, лежащую вне данной прямой, можно провести только одну прямую параллельную данной. Теперь между точкой, лежащей вне геодезической линии, можно было в зависимости от кривизны не провести ни одной геодезической линии параллельной данной или провести их бесконечное количество. В первом случае кривизна положительна, и пространство замкнуто. Образом такого пространства является шар, на котором все геодезические линии, как дуги больших радиусов, пересекаются, а сумма углов треугольника больше 180 градусов. Во втором случае геодезические линии имеют бесконечную длину, пространство разомкнуто, оно имеет отрицательную кривизну. На поверхности с отрицательной кривизной траектории разбегаются и нигде не пересекаются. Сумма углов на подобной поверхности будет меньше 180 градусов. Моделью такой поверхности является седло, а также обратная сторона тора или бублика. Геометрия Евклида оказалась геометрией плоского пространства с кривизной равной нулю. Кривизна во взаимодействии с качественными свойствами порождает огромное топологическое разнообразие пространства.

Рассмотрим такое топологическое свойство, как размерность. Точка как математический объект не имеет измерения. Движение точки порождает линию. Она имеет одно измерение – длину и представляет пример одномерного пространства. Перпендикулярное движение точки относительно линии порождает двухмерное пространство или плоскость. Продолжим алгоритм и получим трёхмерное, а затем четырёхмерное и N-мерные пространства. Представить себе многомерную метрику нельзя, возможности нашего мозга ограничены, но вычислить её можно, используя для этого многоиндексные массивы или матрицы, где количество столбцов и будет определять мерность пространства. Необходимо использовать компьютеры и выполнить проекции, перебрав многомерное многообразие в двухмерных или трёхмерных проекциях. В настоящее время аппарат многомерной метрики широко используется в различных областях науки.

Важной характеристикой размерности пространства является чётность или нечётность. Например, в четырёхмерном пространстве любые две точки будут разделены чем-либо трёхмерным, в двухмерном – одномерном. В подобном пространстве возможно существование таких пар точек, для которых сфера или плоскость, заключающая одну из них, не сможет отделить эти объекты друг от друга. Препятствие в этом случае всегда можно обойти и достичь одной и другой точки, не проникая в сферу. Жук сможет выползти из закрытого ящика стола, желток можно отделить от белка, не разбивая яйцо. Тюрьма в таком пространстве невозможна. Заключённые всё равно убегут, так как препятствия всегда можно обойти.

Ориентированность – ещё одно важное качественное свойство пространства. Под ориентированностью понимается сохранение при движении в таком пространстве положений верх-низ и право-лево. Действительно, двигаясь в этом пространстве, и даже совершая кругосветное путешествие, придя в отправную точку или место нашего движения, мы не заметим никаких изменений – положения лево-право и верх-низ не изменились. Такое пространство называется ориентированным. Неориентированное пространство – это такое пространство, при движении в котором, возможно изменение состояний, приводящих к ситуации, когда левое станет правым, а пол поменяется местами с потолком. Как это возможно? Немецкий математик Мёбиус продемонстрировал топологический конструкт, получивший название в его честь, реализующий пример неориентированного пространства. Если взять вытянутую в прямоугольник бумажную ленту, перекрутить её на пол-оборота и склеить противоположные края, то мы получим так называемый лист Мёбиуса. С одной стороны, его геометрия в небольших масштабах не отличается от евклидовой, но с другой – если жук проползёт из исходной точки этого конструкта и вернётся назад, то он окажется на противоположной стороне листа, и низ станет верхом, а левое будет правым. Не пересекая края листа, можно кисточкой покрасить одной краской обе его поверхности. Это пример так называемой односторонней поверхности и неориентированного пространства.

Может ли такое произойти с нашим трёхмерным пространством? В принципе, это возможно. Если на больших расстояниях, следуя указанному алгоритму, деформировать пространство, то космонавт, вернувшись после путешествия, обнаружит, что левое стало правым, а низ превратился в верх.

Топология особым способом описывает свойства геометрических фигур. С точки зрения этой науки, пирамида, куб, шар являются проявлениями одного и того же топологического образца, поэтому эти фигуры одинаковые, несмотря на их различную геометрию. Она изучает свойства геометрических фигур, которые сохраняются при деформациях, лишь бы это не сопровождалось разрывами и склеиваниями. Деформируя пирамиду, можно перевести её в шар, но ни при каких усилиях шар не превратить в тор.