Рауль Ибаньес - Мир математики: т.6 Четвертое измерение. Является ли наш мир тенью другой Вселенной?
Знаменитый миф о пещере — аллегория Платона — является основополагающим ориентиром для вопросов, рассматриваемых во «Флатландии». Здесь мы также находим многомерную аналогию, проблему познания мира, в котором мы живем, и образование как средство для достижения этого знания. Платон предлагает представить расу людей, которые с рождения живут в темной подземной пещере, связанные таким образом (тело, ноги, руки, шея), что они могут видеть только стену пещеры. За ними находится невысокая стена, за которой горит огонь. Между огнем и стеной перемещаются фигурки маленьких людей, животных и инструментов, а огонь проецирует их тени на стену пещеры. Когда заключенные разговаривают, их голоса отражаются от стен, и им кажется, что говорят тени. Более того, они думают, что они сами являются тенями. Пещерные жители считают эти тени единственной реальностью и не понимают, что они сами и эти фигурки расположены в трехмерном пространстве. Интересно упомянуть конец этой истории, когда пришелец извне пытается объяснить им истинную картину мира, но они считают его сумасшедшим.
Еще одна связь между мифом о пещере и четвертым измерением состоит в том, что пленники думают, что они являются двумерными существами. То, что они на самом деле трехмерные существа, так же странно для них, как для нас мысль о том, что мы являемся трехмерными проекциями четырехмерных существ.
В середине XIX в. идея, похожая на миф о пещере, появилась в коротком рассказе немецкого психолога и физика Густава Фехнера (1801–1887) «Пространство имеет четыре измерения», в котором человек-тень проецируется на экран с помощью проектора.
Схематичное изображение платоновского мифа о пещере.
* * *
«ФЛАТЛАНДИЯ» КАК ИСТОЧНИК ВДОХНОВЕНИЯ
«Флатландия» приобрела статус популярной классики, что вдохновило многих авторов на создание похожих произведений. Дионис Бюргер (1892–1987) написал «Сферландию, или Роман об искривленном пространстве и расширяющейся Вселенной с иллюстрациями автора, Шестиугольника» как продолжение «Флатландии» примерно с таким же относительно простым сюжетом. Главный герой романа — Шестиугольник, внук Квадрата, — живет в более равноправном обществе. При измерении очень большого двумерного треугольника выяснилось, что сумма его углов больше 180°. Это позволило предположить, что на самом деле двумерный мир является не плоскостью, а поверхностью сферы. Даже Иэн Стюарт (р. 1945), один из самых известных современных популяризаторов математики, не удержался от соблазна посетить «Флатландию»», создав ее аннотированную версию и даже продолжение «Флащеландию», то есть Флатландию, только в большей степени. Главный герой книги — Виктория Лейн, потомок Квадрата из классического произведения Эбботта, — исследует более современные понятия, такие как фрактальная размерность, скрытые пространственные измерения, гиперболическая геометрия, квантовая механика, теории относительности, сингулярности пространства-времени и путешествия во времени.
Другие идеи о плоских мирах
Математик Чарльз Хинтон, который уже в начале 1880-х гг. написал серию статей о двумерном мире и существах, населяющих его (мы расскажем о нем подробнее в четвертой главе), является автором романа под названием «Случай во Флатландии, или Как двумерные люди обнаружили третье измерение». Это не просто совпадение, что книги Хинтона и Эбботта были написаны примерно в одно и то же время.
В плоской вселенной Хинтона планеты-круги вращаются вокруг круга-солнца.
Одна из этих планет, Астрия, населена двумя расами треугольников: цивилизованные юнифы создали науку и технику, а варварские скифы являются воинами. В этой книге Хинтон в большей степени, чем Эбботт во «Флатландии», затрагивает вопросы науки и техники. В частности, он описывает физику двумерного мира и некоторые механические устройства. И конечно, в романе затрагиваются и социальные вопросы: автор повествует об отношениях между молодой леди и простым пролетарием. Дядя девушки является единственным человеком Астрии, который верит в существование трехмерного пространства.
Иллюстрация из книги Чарльза Хинтона «Случай во Флатландии». Действие разворачивается на планете Астрия, представляющей собой плоский круг и населенной треугольниками. На западе живут скифы, а на востоке — юнифы.
* * *
ОТ «ФЛАТЛАНДИИ» К «ПЛАНИВЕРСУМУ»
Использование компьютеров для имитации «Флатландии» привело к появлению в 1984 г. книги «Планиверсум. Виртуальный контакт с двумерным миром». Ее автор, математик Александр Дыодни, родился в Канаде в 1941 г. Он рассмотрел всевозможные аспекты двумерного мира, аналогичного описанному Хинтоном. Среди них — политика, география, архитектура, физика, химия, биология, культура, игры и даже что и как обитатели этого мира едят.
Глава 2. Что такое размерность?
Я знаю, что многие… считают, что обобщенное понятие [четырехмерного] пространства является не более чем формой алгебраической абстракции, но то же самое можно сказать и о нашей идее бесконечности в алгебре, или о невозможных линиях в геометрии, или линиях, которые образуют угол в 0 градусов, хотя никто не будет оспаривать пользу этих понятий.
Джеймс Джозеф Сильвестр. Призыв к математикам (1869)
В этой главе рассматриваются понятия размерности и многомерных пространств.
Термин «размерность» широко используется не только в науке и технике, но и в повседневной жизни. Это слово в разных смыслах часто встречается в газетах и в Интернете. Например, выражение «GPS-навигация в трехмерном пространстве» использует понятие трех измерений, которые необходимы устройству GPS для определения положения объекта на земном шаре: широты, долготы и высоты. Вместе с этим выражение «размеры коробки 30 см (длина) х 15 см (ширина) х 15 см (высота)» означает величину предмета. Мы можем даже найти что-то вроде выражения «культурная размерность интернета», которое можно интерпретировать метафорически, имея в виду всю многогранность интернета и нашей культуры в целом.
Слово «размерность», или «измерение», используемое сейчас в нашей повседневной жизни, имеет почти такой же смысл, как и в науке вплоть до XIX в., хотя значение термина развивалось по мере популяризации изначальных математических идей. Даже в таких фразах, как «жить в другом измерении» или «путешествие в другое измерение», значение слова по-прежнему основывается на тех же фундаментальных идеях. В науке и технике этот термин тоже приобрел несколько различных значений и разную степень сложности в зависимости от области, в которой он используется. Например, существуют такие понятия, как размерность векторного пространства, топологическая размерность, фрактальные размерности… Однако целью этой книги является не объяснение терминов, а лишь введение интуитивного понятия размерности.
Степени свободы
Во-первых, давайте остановимся на вопросе: «Что такое размерность?» В общем случае, когда мы говорим о размерности пространства, мы имеем в виду то, что физики и инженеры называют степенью свободы.
В одномерном пространстве у нас есть только одна степень свободы, то есть мы можем двигаться только вперед и назад по одной линии. В поезде мы всегда движемся либо вперед по рельсам, либо назад: состав не может совершать другие движения.
Рельсы, по которым движется поезд, образуют достаточно произвольную кривую, но эта кривая представляет собой одномерное пространство. Наблюдая в поле траектории движения муравьев, мы увидим, что эти траектории тоже представляют собой кривые линии. Насекомые движутся по ним, возвращаясь в муравейник или отправляясь на поиски добычи. Аналогичное движение — вперед и назад — является единственно возможным для короля и других жителей Лайнландии.
В упрощенном виде траектории движения муравьев являются одномерными пространствами, так как насекомые движутся по кривым линиям в обе стороны.
Муравьи движутся так, потому что они следуют по запахам феромонов, оставленным другими муравьями. Однако первый муравей (тот, что проложил путь) мог двигаться во всех направлениях. Если мы выпустим муравья на поверхность стола, мы увидим, что он ползает вперед и назад, а также вправо и влево и под любым углом к этим направлениям. Поверхность стола представляет собой двумерное пространство, другими словами, она имеет две степени свободы.
Муравей-первопроходец на поверхности стола с двумя степенями свободы будет двигаться не только вперед и назад, но и в других направлениях.
