Издательство "Знание" Москва 1984

Рецензенты: Яглом И. М., доктор физико-математических наук, профессор; Виленкин Н. Я., доктор физико-математических наук, профессор.

Главный отраслевой редактор В. П. Демьянов

Редактор Н. Ф. Яснопольский

Мл. редактор Н. А. Васильева

Художник М. А. Дорохов

Худож. редактор Т. С. Егорова

Техн. редактор Н. В. Лбова

Корректор В. Е. Калинина

Карл Ефимович Левитин родился в 1936 году. После окончания Московского энергетического института несколько лет работал во Всесоюзном научно-исследовательском институте электромеханики. С 1966 года заведует отделом в журнале "Знание — сила". Он автор семи научно-художественных книг, а также более ста статей, очерков и репортажей, опубликованных в разных изданиях в СССР и за рубежом. Лауреат премии Московского отделения Союза журналистов СССР, Всесоюзного общества "Знание".

Книга "Геометрическая рапсодия", в 1976 году вышедшая первым изданием, была переведена в Народной Республике Болгарии в 1980 году.

Своеобразие геометрии, выделяющее ее из других разделов математики, да и всех областей науки вообще, заключается в неразрывном, органическом соединении живого воображения со строгой логикой. В своей сущности и основе геометрия и есть пространственное воображение, пронизанное и организованное строгой логикой. В ней всегда присутствуют эти два неразрывно связанных элемента: наглядная картина и точная формулировка, строгий логический вывод. Там, где нет одной из этих сторон, нет и подлинной геометрии.

Наглядность, воображение принадлежат больше искусству, строгая логика — привилегия науки. Сухость точного вывода и живость наглядной картины — "лед и пламень не столь различны меж собой". Геометрия соединяет в себе эти противоположности, они в ней взаимно проникают, организуют и направляют друг друга. Это относится в конечном счете также к современным абстрактным геометрическим теориям, которые при всей своей возвышенной отвлеченности вырастают из той же геометрической интуиции.

Стоит лишь вспомнить классические творения архитектуры, начиная с древнейших пирамид, как сразу становится очевидным, что геометрия в некотором смысле относится к искусству. Предлагаемая вниманию читателей книга Карла Левитина "Геометрическая рапсодия" представляет собой увлекательный рассказ о геометрии главным образом в этом ее аспекте. Искусство лучше всего воспринимать непосредственно. Тому способствуют гравюры М. К. Эсхера, иллюстрирующие книгу, особенно в той ее части, где они образуют своего рода художественно-геометрический фильм, дающий зрителю редкую возможность увидеть геометрическое начало во многих явлениях природы и красоту — в чисто геометрических конструкциях и построениях.

Так что же от истинного искусства всегда присутствует в истинной геометрии? Словами выразить это затруднительно. Но вглядитесь внимательно в столь естественно вплетенные в ткань книги работы художника, прочтите в ней о вышедших в последние годы трудах, где так неожиданно и оригинально использованы геометрические идеи. Замысловато и любопытно... Не правда ли?

Так и книга, которую вы держите в руках, — я уверен, что она будет прочитана с интересом и пользой.

Академик А. Д. Александров

Что-то произошло в самом начале семидесятых годов, отчего математика — не изысканно-утонченная и недосягаемо сложная, почтительно называемая "высшей", а самая обычная, безо всяких превосходных степеней алгебра и особенно геометрия — вновь оказалась в центре людских интересов. То там, то тут стали появляться книги, в которых читателю демонстрировались не одни лишь любопытные и занимательные черточки и штрихи, а полный загадочной прелести облик древнейшей науки, ее строгая красота и кристальной ясности логика[1].

Видимо, и я поддался этому искушению, растворенному в воздухе времени, и, отложив другие дела, стал писать цикл статей, для которого придумал название "Геометрическая рапсодия" — не потому даже, что оно красиво звучало, а просто во всех этих построениях и рассуждениях мне постоянно слышалась прозрачная хрустальная музыка, изящная и завершенная, хотя и бесконечная мелодия.

Вышло уже четыре номера журнала, а собранного и продуманного материала оставалось еще на столько же. Он и лег в основу новой серии очерков, получивших общее название "И видны в саду даже формулы...". Серия имела подзаголовок "Фантазия на тему о правильных, почти правильных, полуправильных и вырожденных много- и сверхмногогранниках", поскольку именно эти привычные и экзотические цветы из сада Геометрии грезились мне в то время во сне и наяву.

Так родилась книга, впитавшая в себя и те журнальные публикации и, естественно, много другого материала.

Между тем общественный интерес к простейшей, но вместе с тем и фундаментальнейшей геометрии отнюдь не снижался. Однажды в редакции появился не знакомый никому из нас человек, во внешности которого явно проглядывало нечто "художественное" (как оказалось, Виктор Николаевич Гамаюнов и в самом деле много лет посвятил профессиональным занятиям живописью) и, очевидно, несовместимое с какими-либо точными науками (в действительности же он был кандидатом технических наук). Он принес несколько страниц машинописи и огромное количество фотографий, которые вместе и составили опубликованный вскоре журнальный материал, начинавшийся словами:

Мы с В. Н. Гамаюновым в те годы стали единомышленниками-"многогранцами" и часто встречались то на выставках архитекторов, художников и дизайнеров, использовавших любимые нами геометрические фигуры для своих суперсовременных проектов, то в мастерских, где клеились необычные макеты совсем уже непривычных нашему глазу строений, а то и в киностудии, где по моему сценарию снимался научно-популярный фильм, посвященный все тем же Платоновым телам. Он назывался "Великолепная пятерка" и удостоился нескольких похвал.

Жизнь таким образом постоянно, хотя и по-разному, поддерживала во мне интерес к геометрической тематике. Вестником следующего ее напоминания явился доставленный в редакцию толстый пакет, уклеенный марками авиапочты. В него была вложена книга на английском языке, название которой я перевел так: "Волшебное зеркало М. К. Эсхера". Знакомство с ней показало, что она представляет собой изложение любопытных взглядов на связь науки с искусством, подкрепленных анализом геометрического и физического смысла гравюр голландского художника-графика Эсхера, которые я уже частично использовал для иллюстрирования своих журнальных публикаций по геометрии и первого издания "Геометрической рапсодии".

Книга, показалось мне, достойна не только моего внимания. Так она попала в руки физиков, математиков, искусствоведов. Одним из первых отозвался о ней академик Николай Васильевич Белов, крупнейший советский кристаллограф. Вот что он написал:

Вслед за этим пришла весточка и из "другого конца" — от представителя наук не точных, а гуманитарных.

Были и другие отзывы, некоторые из них процитированы в "Вариациях" к этой книге.

Естественно, что все это усилило желание поподробнее рассказать читателям о Маурице Корнелисе Эсхере, даже не столько о нем, сколько о его необычном творчестве, раскрыть связь его удивительных гравюр с геометрией и физикой нашего мира.

"Работы Эсхера цитируются и воспроизводятся очень часто как математиками, так и физиками... Книга Бруно Эрнста представляет собой очень хорошее введение в такую неожиданную область занимательной и содержательной науки. Было бы несправедливо оставить нашего читателя без книги об Эсхере" — эти слова профессора Якова Абрамовича Смородинского, известного советского физика и популяризатора науки, поддерживали меня, когда я работал над подготовкой своей книги ко второму изданию.

Эту работу "подтолкнул" и Международный конгресс научного кино в Киеве, на котором я увидел снятую голландцами небольшую ленту об Эсхере и его работах, названную "Приключения восприятия". Видимо, именно тогда родилась у меня мысль создать свой собственный фильм, пусть и воображаемый, но зато на этот раз мультипликационный, где бы геометрическое и философское начала его работ выступили на поверхность. Настроения тех лет нашли свое отражение в этой книге в одной из "Вариаций".

Еще одно обстоятельство, каким бы незначительным оно ни выглядело со стороны, способствовало тому, что геометрическая тема все эти годы прочно сохраняла свое место на моем письменном столе. Однажды я был неожиданно приглашен на математическую олимпиаду школьников, которую проводил Московский областной педагогический институт имени Н. К. Крупской, где меня ждали два приятных сюрприза: участники демонстрировали свои собственные способы вписывания друг в друга всех пяти милых моему сердцу правильных многогранников — платоновых тел, а в качестве призов победителям олимпиады ее организаторы приготовили "Геометрическую рапсодию".

Несколько позже состоялся вечер в московском молодежном музыкальном клубе, который вот уже четверть века раз в неделю собирается, чтобы обсудить нечто, имеющее отношение к музыке. Его бессменный руководитель Григорий Самуилович Фрид, известный советский композитор, предложил мне рассказать столь взыскательной аудитории о музыкальных аспектах творчества Эсхера, и мне пришлось расплачиваться за слово "рапсодия" в названии своей книги. В качестве иллюстрации к моему сообщению прозвучал один из самых удивительных канонов "Музыкального приношения" И. С. Баха, в котором звуки выстраиваются в "невозможный ряд": кажется, что они идут все выше и выше, без конца и начала, как люди на знаменитой эсхеровской гравюре "Поднимаясь и опускаясь". Когда, к немалому своему удивлению, я обнаружил, что даже далекие от интереса к математике члены музыкального клуба с большим сочувствием и вниманием отнеслись к моему выступлению, я отчетливо понял, что пора браться за переиздание "Геометрической рапсодии".

Таинственные причины, побудившие меня в свое время стать "рапсодом" геометрии, действовали, вероятно, одновременно во всем мире. Результатом этого явилось необычно большое число книг, так или иначе касающихся увлекательных проблем этой мудрой науки, которые появились на полках магазинов к концу семидесятых — началу восьмидесятых годов, отставая от времени выхода оригиналов на те несколько лет, что потребовал их перевод. Кроме их авторов, еще трем человекам обязан я чувством сопричастности к интересам и мыслям многих других людей — Ю. А. Данилову, переводчику многих прекрасных книг, а также уже упоминавшемуся Я. А. Смородинскому и доктору физико-математических наук И. М. Яглому — редакторам, авторам предисловий и послесловий к этим работам.

Будучи лишенным возможности перечислить все замечательные книги, имеющие отношение к красоте и изяществу геометрической мысли, которые появились за истекшее десятилетие, я хочу назвать лишь те из них, что в наибольшей мере подогрели мою решимость вернуться к геометрическим увлечениям прошедших дней. Это прежде всего "Симметрия природы и природа симметрии" Ю. А. Урманцева (М., Мысль, 1974), "Жар холодных чисел и пафос бесстрастной логики" Б. В. Бирюкова и В. Н. Тростникова (М., Знание, 1977), "Узоры симметрии" (М., Мир, 1980), затем "Флатланд" Э. Эбботта и "Сферландия" Д. Бюргера (М., Мир, 1976), "Пространственные построения в живописи" Б. В. Раушенбаха (М., Наука, 1980), "Новые встречи с геометрией" Г. Коксетера и С. Грейтцера (М., Наука, 1978), "Симметрия в науке и искусстве" А. В. Шубникова и В. А. Копцика (М., Наука, 1972), "Этюды о симметрии" Е. Вигнера (М., Мир, 1971), "Россыпи головоломок" Ст. Барра (М., Мир, 1978), третье издание "Наглядной геометрии" Д. Гильберта и С. Кон-Фоссена (М., Наука, 1981) и, наконец, "Модели многогранников" М. Веннинджера (М., Мир, 1974). Но, быть может, в наибольшей мере появлением своим книга эта обязана серии переводов прекрасных книг Мартина Гарднера, бессменного ведущего математического раздела журнала "Сайентифик Америкэн" — "Математические головоломки и развлечения" (М., Мир, 1971), "Математические досуги" (М., Мир, 1972) и "Математические новеллы" (М., Мир, 1973), а также совсем уж поразительной и по форме и по содержанию книге "Гедель, Эсхер, Бах: вечная золотая цепь" Дугласа Хофстадтера, который пришел на смену оставившему все-таки свой журнальный пост Гарднеру (о ней речь тоже пойдет в "Вариациях").

Это перечисление работ, оставивших свой след в предлагаемой вниманию читателя книге, можно было бы без особого труда продолжить и тем самым, пусть и в косвенной форме, выразить благодарность их авторам.

К. Левитин Добринка, 1984 г.

"Рапсодия — это вариации на известные темы", — утверждает "Музыкальный словарь".

Темы бывают разные, в том числе вечные. Устройство мира, его геометрия — одна из них.

"Большинство людей получают определенное удовольствие от математики, так же как большинство людей могут наслаждаться прекрасной мелодией, но при этом больше людей интересуются все-таки математикой, а не музыкой" — это утверждение принадлежит Готфриду Гарольду Харди, известному современному математику.

Никто, конечно, не подсчитывал, сколько людей интересуется математикой, а сколько — музыкой, хотя на интуитивной основе с Харди можно, вероятно, согласиться: ведь математика не только доставляет удовольствие; изучая "пространственные формы и количественные отношения действительного мира" (Ф. Энгельс), она удовлетворяет практические потребности людей. Однако природа удовольствия, которое получают люди, увлекающиеся математикой, и природа удовольствия, доставляемого музыкой, действительно одна и та же. "Живопись — это музыка для глаз", — говорил французский живописец и график Делакруа. "Ни один живописец не может писать, не зная геометрии", — утверждал Альберти, видный итальянский ученый, архитектор и теоретик искусства Раннего Возрождения.

"Понимание математики не приобретается только безболезненно развлекательными способами — как нельзя овладеть музыкальной культурой, читая журнальные статьи, пусть даже превосходно написанные, надо слушать — внимательно и сосредоточенно" — такого мнения держится Рихард Курант, еще один известный современный математик.

"Предмет математики настолько серьезен, что полезно не упускать случая сделать его немного занимательным", — повторял Блез Паскаль, один из великих ученых прошлого.

Паскаль и Курант не спорят друг с другом — в их словах нет противоречия. Сама математика, особенно часть ее, называемая геометрией, таит в себе массу занимательных историй, которые хочется слушать внимательно и сосредоточенно.

...Вот вы и начали читать книгу, построенную так же, как и эти несколько предваряющих ее фраз... Главы ее — вариации на различные геометрические темы. Каждые две из них, как кольца, "нанизаны" на третью, связывающую воедино идеи, заключенные в "кольцах". Тот же Харди писал: "Узоры математика, так же как узоры художника или поэта, должны быть прекрасны; идеи, так же как цвета или слова, должны гармонически соответствовать друг другу. Красота есть первое требование: в мире нет места для некрасивой математики". Быть может, именно тут и следует искать объяснение поразительной универсальности геометрических законов, которые действуют с равной эффективностью в кристаллах и в живых организмах, в атоме и во Вселенной, в произведениях искусства и в научных построениях.

"Наука и искусство так же тесно связаны между собой, как легкие и сердце", — писал Лев Николаевич Толстой. Ему, великому писателю, вторят прославленные на весь мир ученые.

А. П. Карпинский, геолог: "Связь между научным открытием и творчеством в искусстве — несомненна. И то и другое обусловливается вдумчивым наблюдением и изучением действительности, и они идут рядом к общей благородной цели".

А. Е. Арбузов, химик-органик: "Не могу представить себе химика, не знакомого с высотами поэзии, с картинами мастеров живописи, с хорошей музыкой. Вряд ли он создаст что-либо значительное в своей области".

А. А. Потебня, филолог-славист: "Поэзия... не изредка, от времени к времени, а постоянно служит источником науки, которая в свою очередь питает новое поэтическое творчество".

В. И. Вернадский, геохимик, биогеохимик, радиогеолог: "Ученые, натуралисты в том числе, часто бывали и художниками в широком смысле этого слова".

И. И. Мечников, биолог: "Великими мастерами в искусстве становятся люди ученые, владеющие математикой и измерительными методами, как, например, Альберти, Леонардо да Винчи, Микеланджело".

С. В. Ковалевская, математик: "Мне кажется, что поэт должен только видеть то, чего не видят другие, видеть глубже других. И это же должен и математик".

П. Л. Капица, физик: "Наука — дело творческое, как искусство, как музыка".

Эти высказывания, касающиеся науки вообще, а математики лишь в частности, особо применимы к геометрии. Ее внутренняя гармония, строгая и законченная красота не только делают геометрию наукой о фундаментальных свойствах объективного, существующего независимо от нас, нашего сознания мира, но и дают каждому из нас возможность пройти несколько шагов по геометрической стезе. "Если бы только удалось преодолеть то недоверие, с которым весьма многие под влиянием случайных школьных впечатлений сторонятся всего, что связано с математикой, то людей, склонных "импровизировать" в области несложных произведений математического искусства, оказалось бы не меньше, чем активных любителей музыки", — пишут Ганс Радемахер и Отто Теплиц в своей книге "Числа и фигуры".

Попытка преодолеть это недоверие и есть основной мотив предлагаемой вашему вниманию геометрической рапсодии.

"Мамочка, почему я все время хожу по кругу?" — "отстань, глупышка, а то я приколю к полу и вторую твою ногу!" — так звучит старая детская шутка. Ее, наверное, придумал древний математик, когда был мальчишкой. Повзрослев, он сформулировал ее по-другому: "Окружность — это совокупность точек на плоскости, одинаково удаленных от какой-то одной точки на этой же плоскости". (Взгляните, например, на фрагмент гравюры М. К. Эсхера "Завиток" — вы найдете ее, как и другие работы этого художника, с помощью указателя, помещенного в конце книги. Созданное воображением художника существо использует основное свойство окружности для передвижения.) Подумав немного, древний математик написал еще одну фразу, покороче: "Сфера — это совокупность всех точек, равно удаленных от одной какой-то точки". (Прекрасная иллюстрация на тему "сфера" — еще две гравюры того же автора: "Спирали на сфере" и "Буковый шар".)

С той поры прошло много лет, а новых хороших геометрических шуток не появилось. Создавшееся положение, конечно, беспокоило серьезных ученых, например Исаака Ньютона. Мы бы, вероятно, никогда не узнали об этом, но, по счастью, друг великого математика оксфордский астроном Дэвид Грегори вел дневник. В один из дней 1694 года он подробнейшим образом записал, как они с Ньютоном крупно поспорили: Грегори по обыкновению размышлял вслух на свои небесные темы — в этот раз о том, как звезды различной величины размещаются на небе. И тут вдруг Ньютон перебил его: "Спорим, что тринадцать одинаковых шаров, как их ни расположи, не могут касаться еще одного шара!" Грегори немного подумал и принял спор. Но сколько друзья ни изводили бумаги и слов, ни один из них не убедил другого. И лишь через 180 лет Рейнгольд Хоппе сумел доказать, что великий математик и в этом научном споре оказался прав. Но доказательство Хоппе было таким громоздким, а проблема настолько увлекала ученых, что до самого последнего времени они без устали решали "задачу четырнадцати шаров". Самое простое доказательство придумал англичанин Джон Лич в 1956 году. А в 1962 году в "Трудах Нью-Йоркской Академии наук" появилась большая статья, посвященная все той же задаче.

Но если считать — хотя это было бы большой ошибкой — все эти работы чисто геометрическим юмором, то двум последним шуткам предшествовало несколько более плоских острот. Плоских — в прямом смысле этого слова.

В июне 1936 года читатели журнала "Нейчур" были приятно удивлены. Известнейший английский химик Фредерик Содди, который получил Нобелевскую премию за то, что открыл изотопы, на этот раз порадовал ученый мир поэмой, состоящей из трех стансов. Она называлась (в вольном переводе) "Поцелуй по расчету", и первый ее станс звучал приблизительно так:

В следующем стансе Содди в том же поэтическом ключе сообщает придуманную им формулу: удвоенная сумма квадратов обратных радиусов равна квадрату их суммы.

В этой несложной формуле Содди предусмотрел и тот случай, когда больший круг охватывает три меньших: тогда надо просто брать величину радиуса со знаком "минус". Всякому ясно, что теперь ничего не стоит вычислить радиус четвертого круга, чтобы он смог "поцеловаться" с тремя другими.

Впоследствии выяснилось, что формулу эту знал еще Рене Декарт. Но Содди открыл ее вполне самостоятельно. И кроме того, он не удовлетворился целующимися кругами. В третьей и последней части своего "Поцелуя по расчету" Содди перешел с плоскости в пространство от кругов к сферам. И тут прежде всего обнаружилось, что в целовальном обряде принимают участие не четыре, а пять сфер, а чтобы они могли коснуться друг друга, им надо, говоря презренной прозой, подчиниться требованиям формулы: утроенная сумма квадратов обратных радиусов равна квадрату их суммы.

Любители математических головоломок приуныли: все загадки о соприкасающихся кругах и сферах стали решаться с удручающей легкостью. Ну вот, к примеру, одна из них, просто так, чтобы лишний раз помянуть добром Содди. На столе лежат три арбуза, каждый диаметром в тридцать сантиметров, а под ними — апельсин. Конечно же, все фрукты, выращенные в садах геометрии, имеют идеальную сферическую форму. А потому легкий вопрос: каков диаметр апельсина?

Но Нобелевский комитет не дал Фредерику Содди еще одну премию, быть может, потому, что его формулы никак не помогали решать другие геометрические задачи, которые отняли у мыслящего человечества не одну тысячу человеко-часов. А именно — "упаковочные" головоломки. Формулируя задачу на теперь уже привычном нам языке геометрической эротики, мы поставим вопрос так: каково максимальное число кругов (или сфер), которые могут одновременно поцеловать один (одну) такой (такую) же, целуясь при этом со своими соседями?

На плоскости задача элементарно проста: шесть кругов касаются седьмого, центрального (3). (В качестве таких кругов приятно взять четыре гравюры М. К. Эсхера, которые называются "Пределы на круге".) Но со сферами дело обстоит куда сложнее — недаром Ньютон так и не смог убедить своего друга Грегори, что их может быть не больше тринадцати, включая сюда и "целуемую".

В те годы пинг-понг еще не был в моде, а то бы спорщики могли поставить любопытный эксперимент. Отбросив предрассудок, им надо было взять "чертову дюжину" шариков и сдавить их прозрачной резиновой пленкой. Они могли бы убедиться, что "обычная" дюжина охватывает "чертов" шарик таким образом, что все двенадцать шариков располагаются в вершинах воображаемого икосаэдра (правильного двадцатигранника) и между ними остается небольшой зазор (4). Но достаточен ли этот зазор, чтобы втиснуть еще и четырнадцатый шарик? Вот в чем вопрос. Можно пробовать располагать шары в самых различных комбинациях, но место для еще одного не освобождается. Это, однако, вовсе не доказывает, что такую удачную комбинацию найти невозможно.

Но все-таки — да или нет? Как доказать строго? Хоппе придумал — думайте, если это доставляет удовольствие, и вы.

Быть может, подобные головоломки вам, как и Исааку Ньютону, покажутся трудными, но попытайтесь все-таки совершить над собой некое интеллектуальное насилие. Все это не просто стандартные "вопросы на повторение пройденного". Впереди космическое развитие темы Круга и Сферы, и к нему надо подготовиться.

1

"Униформа, по местам! Маэстро, туш!" — на арене фокусник. Его инструментарий прост до крайности — горизонтальная перекладина на двух стойках, в которую вбито несколько гвоздей, и на каждом из них висит по длинной яркой ленте. Все самое простое и настоящее — любой желающий волен убедиться в этом собственноручно. Маг закуривает сигарету и горящим концом дотрагивается до первой ленты. Пламя бежит вдоль нарисованной посередине ленты дорожки, вызывая восхищение малышей. Но вот огненное кольцо замкнулось — и тут уж крик удивления вырывается у взрослых: вместо ожидавшихся двух тонких лент появляется одна длинная. Прикосновение сигареты к другой ленте — снова взрыв детского восторга и за ним озадаченное молчание взрослых: теперь перед ними две ленты, продетые одна в другую. Еще одна огненная дорожка — и лента делает еще один неожиданный вольт: теперь она завязывается узлом.

Детская радость понятна — им неведомо, что на свете бывают химики и что они придумали калиевую селитру. Но и недоумение родителей тоже идет от незнания — топологии вообще и одной из ее излюбленных игрушек, "листа Мёбиуса", в частности.

А игрушка эта полюбилась математикам, и не им одним. У входа в Музей истории и техники в Вашингтоне медленно вращается на пьедестале стальная лента, закрученная на полвитка. В 1967 году, когда в Бразилии состоялся международный математический конгресс, его устроители выпустили памятную марку достоинством в пять сентаво. На ней была изображена все та же лента. И монумент высотой более чем в два метра, и крохотная марка — своеобразные памятники немецкому математику и астроному Августу Фердинанду Мёбиусу, профессору Лейпцигского университета.

В своей работе "Об объеме многогранников" он описал геометрическую поверхность, обладающую совершенно невероятным свойством: она имеет только одну сторону! Самое же при этом удивительное, пожалуй, то, что сделать ее своими руками не представляет решительно никакого труда: надо лишь взять полоску бумаги и склеить ее концы, предварительно повернув один из них на 180 градусов. И тогда в ваших руках окажется лист, или лента, Мёбиуса. Чтобы наглядно убедиться, что у вашей самоделки действительно всего одна сторона, попробуйте закрасить перекрученную ленту в два цвета — одним с внешней, а другим — с внутренней стороны. Что бы вы ни придумывали, вам это не удастся. Но зато муравью, ползущему по листу Мёбиуса, не надо переползать через его край, чтобы попасть на противоположную сторону, как это видно на гравюре Маурица Эсхера "Лента Мёбиуса. II".

Итак, односторонность. В геометрическом, разумеется, понимании этого слова, потому что в нашем общечеловеческом смысле трудно представить себе более разностороннюю геометрическую фигуру. Теперь, когда вы познакомились с ней, наверное, уже никакая сила не Удержит вас от того, чтобы не клеить все новые и новые ленты, закручивая их то на один, то на два, а то и на три полуоборота, и потом беспощадно разрезать вдоль. И вы будете вознаграждены за свою любознательность — полоска бумаги повторит все фокусы, показанные в Цирке.

Да что цирк! Патентные службы вынуждены были познакомиться с поразительными свойствами листа Мёбиуса — в разное время и в разных странах зарегистрировано немало изобретений, в основе которых лежит все та же односторонняя поверхность. В 1923 году знаменитый американский изобретатель Ли де Форест, который придумал трехэлектродную лампу — триод, предложил записывать звук на киноленте без перемены катушек, сразу "с двух сторон". Ему выдали патент № 1442632. Изобрели магнитофон — и сразу же нашлись сообразительные люди, которые придумали особые кассеты, где магнитная лента соединяется в кольцо и перекручивается. Ясно, что тогда можно записывать и считывать подряд с двух дорожек, не снимая кассеты с магнитофона и не меняя их местами, а значит, время непрерывного звучания увеличивается ровно вдвое. (Речь идет, разумеется, о так называемой "непрерывной ленте", то есть замкнутой в кольцо, вроде автоматических телефонных часов или милицейских лозунгов о безопасности движения, передаваемых через репродукторы, патрульных машин.) В 1969 года советский изобретатель А. Губайдуллин получил авторское свидетельство № 236278 на бесконечную шлифовальную ленту, работающую обеими своими сторонами. Он предложил натянуть сделанную из специального материала ленту Мёбиуса на два вращающихся ролика и покрыть ее крупинками твердого абразива. Понятно, что такая лента служит вдвое больше обычной. Ту же идею использовали сотрудники НИИ автоматизации черной металлургии Г. Буйный и В. Изотов в своем устройстве для магнитной дефектоскопии (им выдано авторское свидетельство № 259449).

Идея использовать ленту Мёбиуса не оставляла изобретателей и в последующие годы. В 1971 году П. Н. Чесноков из Уральского политехнического института имени С. М. Кирова получил авторское свидетельство на фильтр непрерывного действия для жидкости, "отличающийся тем, что, с целью интенсификации процесса фильтрования и увеличения срока службы фильтрующего материала, лента выполнена в виде Мёбиуса листа". Год спустя И. В. Киселев стал официально автором устройства, про которое в авторском свидетельстве сказано: "Бесконечный шлифовальный ремень, выполненный на гибкой основе с нанесенным на нее абразивным покрытием и склеенный в кольцо с повернутой ветвью, отличающийся тем, что, с целью увеличения стойкости, он имеет в сечении форму многогранника с равными гранями, покрытыми абразивным слоем, а ветвь его повернута на одну грань". Институт электродинамики Академии наук Украинской ССР представил изобретение своих сотрудников Ю. И. Драбовича и И. А. Криштафовича. Оно сформулировано так: "Магнитный сердечник, изготовленный из ферромагнитной ленты с изоляционным покрытием, отличающийся тем, что, с целью улучшения магнитных свойств сердечника путем создания равномерного магнитного поля по его сечению, сердечник намотан в форме ленты Мёбиуса".

Наконец, не были забыты и дети, для которых И. Е. Бурлак изобрел и получил на то в 1979 году соответствующее свидетельство, в котором в тех же строгих правилах заявки описана "игрушечная электрифицированная железная дорога, содержащая полотно железной дороги, модели локомотива и вагонов с поворотными осями колес, отличающаяся тем, что, с целью повышения занимательности, полотно железной дороги представляет собой ленту Мёбиуса, рельсы выполнены из ферромагнитного материала, а модели локомотива и вагонов снабжены магнитными башмаками, закрепленными на поворотных осях колес".

В 1963 году патентное ведомство США зарегистрировало два "практически геометрических" изобретения. Некто Джакобс поставил свои знания топологии на службу химчистке — он придумал самоочищающийся фильтр, который представляет собой все ту же ленту Мёбиуса и беспрерывно освобождается от впитанной грязи, работая при этом обеими своими сторонами. А Ричард Дэвис, физик из американской корпорации "Сандиа" в Альбукерке, изобрел электрическое сопротивление, обладающее нулевой реактивностью. О нем, пожалуй, стоит поговорить поподробнее и потому, что такое сопротивление — давнишняя мечта радиотехников и физиков, и потому еще, что тут нам предоставляется возможность увидеть нашу одностороннюю ленту Мёбиуса с несколько иной стороны.

Но сначала склейте еще один лист Мёбиуса и разрежьте его ножницами вдоль не на две, а на три части, то есть не посередине, а отступив от любого из краев на треть ширины ленты. Нечто похожее изобразил Мауриц Эсхер на гравюре "Лента Мёбиуса. I". Вас снова ждет сюрприз: теперь получается еще один лист Мёбиуса — поменьше, да и толщиной всего в треть от первоначального! а в него продета длинная и тонкая лента, дважды перекрученная вдоль своей оси. А теперь сделайте себе из всего этого геометрического изобилия прекрасную игрушку на вечер — другой. Это, как и все предыдущее, просто. Покрасьте "маленького Мёбиуса" в какой-нибудь цвет. И попытайтесь уложить с обеих сторон от него ленту так, чтобы получился лист Мёбиуса тройной толщины.

Рано или поздно вы справитесь с задачей, и наградой вам будет удивительная фигура. Две ее крайние незакрашенные части, хотя они и сделаны из одной длинной ленты, тем не менее нигде не смыкаются друг с другом, а просто лежат вдоль сторон третьей, закрашенной. Но каких сторон? Ведь центральная часть — это односторонняя поверхность! Да и крайние, раз они повторяют ее форму, тоже не что иное, как два листа Мёбиуса, которые обрели самостоятельность, обвившись вокруг своего цветного собрата.

Вот это и есть сопротивление с нулевой реактивностью. Но только изготовляют его — для простоты технологии — немного по-другому: к резиновой ленте с двух сторон приклеивают две тонкие алюминиевые полоски, а к ним припаивают выводы, через которые можно подать электрический ток. Затем всю конструкцию перекручивают на один оборот и соединяют в мёбиусов лист — он, естественно, будет трехслойным. И вот теперь ток, проходя по полоскам, встретит на своем пути лишь так называемое "активное" сопротивление, то есть сопротивление самого материала — алюминия. "Реактивность" проводника с током, имеющего форму листа Мёбиуса, равна нулю.

"То, что я понял, прекрасно, из этого я заключаю, что остальное, чего я не понял, тоже прекрасно", — высказался в свое время Сократ по поводу неясностей у Гераклита. Быть может, эти слова послужат неким утешением для того, кто не сумеет одолеть суть радиотехнического дебюта листа Мёбиуса. Хотя понять ее не так уж невозможно. Есть простой, но в данном случае неприятный для радиотехников факт: каждое тело имеет форму и как-то располагается в пространстве. А потому оно ведет себя либо как маленький конденсатор — обладает собственной электрической емкостью и, значит, оказывает переменному току емкостное сопротивление, либо поступает подобно крохотному дросселю — тогда его сопротивление индуктивное. Оба эти сопротивления, оказываемые телом электрическому току, называют реактивными. И избавиться от них, как и от того, что у него есть какая-то форма, ни одно тело как будто не может.

А теперь вспомним факт, в котором нам только что пришлось убедиться: "трижды толстый мёбиус" можно сделать по-разному — и из трех отдельных частей, и всего из двух: короткой центральной и особым образом уложенной длинной заготовки, которая одна образует обе боковые стороны. Значит, ток в безреактивном сопротивлении дважды проходит по одному и тому же месту в пространстве, но оба раза в противоположных направлениях, пробегая по длинной ленте — алюминиевым полоскам, уложенным "восьмеркой" с двух сторон короткой резиновой полосы, служащей изолятором. Таким образом, реактивность реактивностью же и уничтожается. И потому такое закрученное сопротивление остается чисто активным, даже если изгибать его как угодно или помещать в любое внешнее поле.

Конечно, радиотехники должны быть особенно благодарны Августу Фердинанду Мёбиусу — ведь им приходится иметь дело с миллионами герц, а чем выше частота, тем больше "реактивность" каждого элемента схемы и тем больше помех вносят в ее работу нынешние "нечисто активные" сопротивления. Но, пожалуй, с еще большим энтузиазмом встретят новое изобретение физики, которые занимаются сверхпроводимостью. Как известно, при очень низких температурах, близких к абсолютному нулю, сопротивление электрическому току вдруг пропадает и он может течь неограниченно долго, не требуя никакого притока энергии извне. Да, но речь идет об активном сопротивлении. Реактивное же сопротивление сверхнизкой температурой и всей невероятно сложной техникой, созданной для ее получения, не уничтожается. Зато простейшее геометрическое преобразование обещает физикам скорую и неожиданную помощь. Быть может, мечта о вечном электрическом двигателе, не требующем никакой энергии для своей работы, теперь уже близка к своему осуществлению...

Но до сих пор речь шла всего об одном свойстве листа Мёбиуса — о его односторонности. А ведь у него есть еще и другие подобные свойства. Но какие подобные? Математик назвал бы их топологическими.

Сама топология, можно сказать, началась именно с листа Мёбиуса. Слово это придумал Иоганн Бенедикт Листинг, профессор Геттингенского университета, который — и это далеко не всем известно — почти в то же время, что и его лейпцигский коллега, предложил в качестве первого примера односторонней поверхности уже знакомую нам единожды перекрученную ленту. Наука та молодая и потому озорная. Иначе не скажешь о тех правилах игры, которые в ней приняты. Любую фигуру тополог имеет право сгибать, скручивать, сжимать и растягивать — делать с ней что угодно, только не разрывать и не склеивать. И при этом он будет считать, что ничего не произошло — все ее свойства остались неизменными. Для него не имеют никакого значения ни расстояния, ни углы, ни площади. А что же его интересует? Самые общие свойства фигур, которые не изменяются и при каких преобразованиях, если только не случается катастрофы — "взрыва" фигуры. Потому иногда топологию называют "геометрией непрерывности". Она известна и под именем "резиновая геометрия", потому то топологу ничего не стоит поместить все свои фигуры на поверхность детского надувного шарика и без конца менять его форму, следя лишь за тем, чтобы шарик ie лопнул. А то, что при этом прямые линии, например стороны треугольника, превратятся в кривые, для тополога глубоко безразлично.

"Сотри случайные черты, и ты увидишь — мир прекрасен", — писал Александр Блок. Тополог всегда готов внять подобному призыву — во всех окружающих его предметах он ищет некие важные только ему одному качества. Например, непрерывность. Это еще одно топологическое свойство. Если вы сравните схему самолетных маршрутов и географическую карту, о убедитесь, что масштаб Аэрофлотом далеко не выдержан — скажем, Свердловск может оказаться на полпути от Москвы до Владивостока. И все-таки что-то общее между географической картой и топологической схемой (а транспортники — бессознательные топологи) есть. Москва действительно связана со Свердловском, а Свердловск — с Владивостоком. И потому тополог может как угодно деформировать карту, лишь бы точки, ранее бывшие соседями, оставались одна подле другой и дальше. А значит, с топологической точки зрения круг неотличим от квадрата или треугольника, потому что их легко преобразовать один в другой, не нарушая непрерывности. Взгляните с этой точки зрения на нашего старого знакомца и увидите: на листе Мёбиуса любая точка может быть соединена с любой другой точкой. И при этом муравью на гравюре Эсхера ни разу не придется переползать через край "ленты". Разрывов нет — непрерывность полная.

Но куда интереснее другое свойство — связность. Если квадрат полоснуть бритвой от стороны к стороне, то он, естественно, распадается на два отдельных куска. Точно так же любой удар ножом разделит яблоко на две части. Но вот чтобы располовинить кольцо, нужно уже два разреза. И два раза придется резать бублик, если вы хотите угостить им двух друзей. А телефонный диск можно десять раз рассечь ножом от одной замкнутой кривой до другой, а он все останется единым целым. Поэтому любой тополог скажет вам, что квадрат и ромашка — односвязны, кольцо и оправа от очков — двусвязны, а всяческие решетки, диски с отверстиями и подобные сложные фигуры — многосвязны. Ну а наш лист Мёбиуса? Конечно, двусвязен, ведь фокус в том и состоял, что, будучи разрезан вдоль, он превращался не в два отдельных кольца, а в одну целую ленту. Впрочем (и на этом тоже были построены фокусы), если перекрутить ленту на два оборота, то лист становится односвязным. Три оборота — помните ленту, завязавшую саму себя в узел? — связность снова равна двум. А четыре оборота? Да вы, верно, уже догадались, как дальше станут развиваться события.

Связность принято оценивать числом Бетти, названным так в честь известного итальянского математика и физика. Иногда пользуются другой величиной — эйлеровой характеристикой — с той же целью: определить число сквозных, от края и до края, разрезов, которое выдерживает фигура, не распадаясь при этом на части,

"От края и до края..." — эти слова из песни, любимой нами с детства, можно рассматривать не просто как поэтический образ. В них, как мы видим, заложен еще и глубокий топологический смысл. Лист бумаги — модель двусторонней односвязной (число Бетти равно единице) поверхности с одним краем. Его можно смять и бросить в урну, но все равно число краев (и сторон) останется прежним. Но у сферы краев нет. Нет их и у тора, говоря попросту, бублика. Зато нарисованное на бумаге кольцо имеет целых два края. Один край и у мёбиусова листа, как одна у него сторона. И снова — сделайте его из какой угодно эластичной резины и растяните до любых размеров — топологические свойства, этот незыблемый фундамент самого естества геометрической фигуры, останутся неизменными.

10

"Слово — не воробей" — хотя такое определение и называется отрицательным, но с ним не поспоришь. Пришла поpa сдержать данные обещания. Итак, чем же мы сможем помочь несчастным плоскатикам, если их сапожники в целях экономии станут делать обувь только на одну ногу? А мы просто изымем ровно половину этой сверхрентабельной продукции и подвергнем ее еще одной технологической операции: перевернем и вновь положим на землю Плосколяндии. Теперь зеркальный глянец будет уже на зеркально отраженных туфлях, и останется лишь составить пары. Обратите внимание, что "двумерец" точно так же может зеркально преобразовать любую одномерную вещь — вынуть ее для этого из Линеляндии в свою плоскую страну и, перекрутив, вернуть обратно. Идучи по накатанной дорожке аналогий, следует и за жителями четвертого измерения признать неоспоримое право превращать любой предмет нашего мира в его зеркальный двойник.

Идея зеркального преобразования мира давно увлекала ученых и мыслителей. Так, Готфрид Вильгельм Лейбниц много думал о том, что бы случилось, если бы вся наша Вселенная вдруг отразилась в некоем сверхзеркале. В конце концов он пришел к выводу, что ничего в ней не изменилось бы. До недавнего времени — до работ американских физиков Ли и Янга — современным ученым нечего было возразить великому немецкому математику и куда менее великому философу. Иммануил Кант, великий немецкий философ, сыгравший выдающуюся роль в развитии диалектики (чья философия, по определению К. Маркса, при всей ее противоречивости и субъективно-идеалистической направленности была немецкой теорией французской буржуазной революции), и куда менее великий физик (хотя он и преподавал эту науку), тоже очень интересовался зеркальными отражениями. В своем знаменитом труде "Пролегомоны будущей метафизики" он писал: "Что может быть больше похоже на мою руку или мое ухо, чем собственное отражение в зеркале! И все же руку, которую я вижу в зеркале, нельзя поставить на место настоящей руки..." Разумеется, сказал бы на это современный нам ученый, который отвык удивляться подобным пустякам, — ведь они энантиморфны. Если вам встретится это ученое слово, знайте: автор хотел сказать "зеркально симметричные". Любые два энантиморфа различают, называя один "левым", а другой "правым". Ботинки, перчатки, левый и правый винт, даже целые автомобили — обычный "Москвич" и "Москвич" с надписью "Связь", у которого руль сделан справа, чтобы почтальону удобнее было выходить на тротуар за письмами, — все это энантиморфы.

И энантиморфны два листа Мёбиуса, закрученные в разные стороны — ведь, склеивая полоску, вы вольны сделать оборот и по и против часовой стрелки. Но здесь позвольте прервать едва лишь наметившийся разговор о левом и правом в этом мире (пусть пока поработает ваше воображение, разбуженное зеркальными разговорами), чтобы сдержать еще одно обещание.

Лист Мёбиуса, выдумка кабинетных ученых, забавная безделушка, вдохновляющая факиров и изобретателей, увлек и космологов. Одна из моделей нашей Вселенной — это трехмерный лист Мёбиуса. Астронавт, проделавший головокружительный путь вдоль такого космоса, вернется домой зеркально отраженным — с сердцем справа — так же, как Готфрид Платтнер из уэллсовского фантастического рассказа. (И в нашей реальной земной жизни встречаются, хотя и крайне редко, люди, у которых сердце справа. Уж не пришельцы ли, точнее, не ушельцы ли это?) Но способно ли наше бедное воображение справиться с трехмерным мёбиусом?

Оказывается, да. Возьмите трубу, вытяните у нее один край и просуньте этот тонкий конец в специально сделанную для него дырку в толстом конце. Теперь склейте концы (11). А теперь примите поздравления. Вы создали (правда, лишь мысленно) так называемую "бутылку Клейна" (это имя нам уже встречалось — Феликс Клейн, немецкий математик, почти наш современник: он умер в 1925 году). Отчетливо видно, что в эту одностороннюю посуду тем не менее можно налить вино. Вот только вопрос: отчего больше кружится голова — от самой бутылки или от ее содержимого? А если голова у вас еще не кружится, то вот еще один математический факт: в четырехмерном пространстве можно построить такую бутылку Клейна, что она не будет пересекать сама себя (лист Мёбиуса, если делать его ленту все шире и шире, рано или поздно неизбежно "самопересечется", но он, как мы видели, может жить и без этого; бутылка же Клейна в нашем пространстве без самопересечения никак не получается — попробуйте, убедитесь).

Мауриц Эсхер, к сожалению, не нарисовал гравюры, подобной своей "Ленте Мёбиуса. II", посвященной этой удивительной замкнутой односторонней поверхности. Но мы и без его помощи можем пустить муравья ползать по бутылке Клейна и увидим, что, не переползая ни разу через край (края-то ведь и нет!), путешественник побывает и вовне и внутри своего топологического муравейника. Американские небоскребы породили новую профессию — высотные мойщики стекол. Эти бесстрашные люди счищают грязь только с одной стороны — снаружи, а их менее квалифицированные собратья по цеху — только внутри. Представьте себе ужас "комнатного" мойщика, если, двигаясь вдоль стекла, он вдруг окажется над Нью-Йорком на высоте тридцатого этажа! Хорошо, что человеческие муравейники пока еще не используют фантазию топологов. (Впрочем, фантасты и тут проложили дорогу. А. Дейч написал юмореску "Лента Мёбиуса". Ее идея в двух словах: в некоем городе метрополитен развился до такой степени, что топологическая сложность всех его пересекающихся линий перешла некую допустимую границу — и в результате один за другим целые поезда вдруг исчезали из трехмерного пространства, возвращаясь назад лишь через месяц-другой.)

"Природа подобна женщине, которая ... показывая из-под своих нарядов то одну часть своего тела, то другую, подает своим настойчивым поклонникам некоторую надежду узнать ее когда-нибудь всю" — эта смелая аналогия принадлежит Дени Дидро. Ее можно было бы рискнуть продолжить. Пылкий влюбленный, увидев лишь кончик стройной ножки, строит в своем воображении прелестную незнакомку. Ученый по немногим известным ему фактам создает модель изучаемого явления.

Итак, наш знакомец лист Мёбиуса — космическая модель. Какие противоречия существующих теорий разрешает пространственный Мёбиус — замкнутый, безграничный, бесконечный (как вселенная Эйнштейна), но вдобавок односторонний, — это слишком длинный разговор, а обещана лишь краткая встреча в далях Вселенной. Утешением разочарованному читателю-космологу послужит наше намерение разочаровать и читателя-биолога.

Дело в том, что мёбиусианские идеи проникли в микрокосмос и тоже не нашли себе законченного выражения. Еще в 1938 году советский цитолог (то есть ученый, изучающий жизнь клетки) М. С. Навашин задумал с помощью парадокса топологии расправиться с одним из парадоксов генетики. Наследственная информация, как известно, передается с помощью генов. Гены — это участки длинных нитей, хромосом (точнее, не самих хромосом, а хроматид — еще более тонких нитей, которые, соединяясь попарно, и образуют хромосому). Разные виды животных и растений имеют разное число хромосом — у человека их 46, а у ржи, например, всего 14. Но и число и, главное (для тополога!), форма хромосом остаются строго постоянными от поколения к поколению. Но вот у бактерий и у некоторых растений встречаются так называемые кольцевые хромосомы. Мало того, что они, как следует из названия, замкнуты в кольцо в отличие от всех других, которые представляют собой либо просто палочки, либо перекрещенные палочки с общей точкой — центромерой. Мало этого, при размножении кольцевая хромосома изменяет свою форму и превращается либо в кольцо, вдвое более длинное, чем первоначальное, либо в два обычных по величине кольца, но продетых одно в другое. Но это значит...

Вы догадались! Навашин именно это и предположил. И не беда, что потом нашлись другие объяснения нестабильности кольцевых хромосом, — все равно мысль о том, что они свернуты в клетке в виде листа Мёбиуса, в свое время оказалась плодотворной и до сего времени выглядит изящной. И — кто знает? — быть может, она с последующими уточнениями все-таки сумеет еще поработать в генетике. Ведь главное (если не единственное) возражение против гипотезы Навашина состоит в том, что уже после второго деления (а многие клетки делятся беспрерывно, всю жизнь) "тощий мёбиус", как мы прекрасно знаем, не превратится в еще более тощего и длинного. Но что, если хромосома, прежде чем располовиниваться вдоль, разрывается в какой-то точке, перекручивается вдоль на один или два оборота оси, а затем соединяется вновь? С нею все может статься: передавая наследственность, она ведь может и сама унаследовать патологию хромосомы-родительницы. Впрочем, это уже даже не гипотеза, а просто досужий вымысел.

А нам пора вернуться к безусловно доказанным фактам. Здравствуйте еще раз, Левый и Правый Мёбиусы!

А чем, собственно, они отличны друг от друга? Что дает нам право с уверенностью называть один энантиморф "левым", а другой — "правым"? Именно этот вопрос взволновал Иммануила Канта. Ему виделась страшная картина. В совершенно пустом космосе появляется рука. Правая или левая? Сказать невозможно, ибо нет ничего, с чем бы ее можно было сопоставить. Но вот рядом с нею материализуется человек, руки которого обрублены по запястье. Рука, разумеется, подойдет лишь к одному запястью — правому, например. Значит, она и есть правая. Но тогда получается, что рука была правой все время, еще до того, как рядом с ней материализовался воображаемый инвалид? В чем же тогда инвалидность рассуждений Канта?

Бедные, затрепанные нами "двумерцы" помогут и тут. Вырезанную из бумаги фигурку человека мы можем положить на стол рядом с вырезанной из бумаги же рукой и так и по-другому — перевернув "наизнанку". (Как дубовый лист мог бы по-разному упасть на поверхность воды в гравюре Эсхера "Три мира.) И тогда рука подойдет в первый раз к его правому, а во второй — к левому запястью. Значит, она не была ни правой, ни левой — просто человек может явиться в свою двумерную Плосколяндию из нашего трехмерного мира в двух энантиморфных модификациях — либо сам собой, либо в зеркальном отражении. И точно так же любой предмет может быть "вывернут" в пространстве высшей размерности. Это первым понял через восемьдесят лет, после того как Кант высказал свои недоумения, Август Фердинанд Мёбиус! (Однако свой знаменитый уже заранее перекрученный лист, который позволяет, как мы теперь знаем, вывернуть лежащие в нем предметы и без повышения порядка пространства, он описал еще спустя лишь двадцать лет.)

Известный американский популяризатор науки Мартин Гарднер (его работам очень многим обязана эта "Рапсодия") написал книгу, которую наше издательство "Мир" выпустило под заглавием "Этот левый, правый мир". Там есть эпизод, заимствованный из комикса. Пещерный человек радуется своему новому изобретению — барабану. Он ударяет по нему палкой и говорит: "Это левая дробь", а затем берет палку в другую руку и говорит: "Это правая дробь". И на вопрос: "Откуда ты знаешь?" — отвечает, что у него на одной из ладоней есть родинка. Таким образом получается, что все дело только в названии — хочу, назову так, хочу — наоборот. И ничто не изменится. Прав Лейбниц: отрази мир в зеркале — никто и не заметит.

Вроде бы так.

Так? Да вот не так! Иначе Ли и Янгу не быть бы нобелевскими лауреатами, а нам бы не разувериться в симметричности Вселенной.

В 1956 году в Национальное бюро стандартов США обратилась профессор Колумбийского университета Bу Цзяньсюн. Она просила дать ей возможность воспользоваться криогенной установкой, чтобы охладить радиоактивный изотоп кобальта, кобальт-60, до очень низкой температуры, почти до абсолютного нуля. Это было необходимо ей, чтобы свести к минимуму тепловое движение его молекул, а затем, наложив мощное электромагнитное поле, суметь выстроить ядра так, чтобы они были направлены одноименными полюсами в одинаковую сторону. (Ядро вращается вокруг своей оси: если смотреть с одного конца ее, то по часовой стрелке, а с другого — против часовой стрелки. Значит, у него есть верх и низ, северный и южный полюс, или, что то же самое, право и лево.) А дальше профессор Bу всего лишь хотела посмотреть, одинаковое ли число электронов будет вылетать из северного и южного полюсов при распаде.

"Я не верю, что бог окажется левшой, и готов побиться об заклад на весьма большую сумму, что эксперимент даст симметричный результат!" — писал крупнейший физик-теоретик Вольфганг Паули, с нетерпением ожидая, что же получится у By. Паули проиграл свою весьма большую сумму. Но несравненно больше проиграли представления физиков о природе: закон четности нарушился, опыт дал несимметричный результат из южного конца ядра кобальта-60 вылетает намного больше электронов, чем из северного!

Это значит, что мир наш все-таки несимметричен. За такое открытие не грех было присудить Нобелевскую премию. И ее получили в 1957 году Ли Чжэндао и Янг Жэньпин — молодые американские ученые. Они, а не их соотечественница Bу Цзяньсюн, потому что идея эксперимента была предложена именно ими из чисто теоретических и даже скорее математических, нежели физических соображений. Они первые придумали, как заставить природу ответить на вопрос: равноправно ли в ней левое и правое, верх и низ? До них никто не советовал физикам-экспериментаторам тратить время и силы на подобные опыты — все были уверены, что закон сохранения четности незыблем. Иными словами, любое направление в природе равноправно, и если в формуле, включающей в себя все три координаты точки, поменять все знаки координат на обратные, то она останется справедливой. И вот опыт Bу показал, что эта самоочевидность была всего лишь самоубеждением.

И тогда, задним числом, стали вспоминать, что задолго до Ли и Янга ученые покушались на закон сохранения четности.

Знаменитый немецкий математик Герман Вейль — знаменитый своими глубокими и неожиданными идеями — в 1929 году высказал гипотезу о том, что вращающаяся частица может быть в одной из двух зеркально сопряженных форм — обладать левой или правой спиральностью. То есть откуда бы ни смотрел на нее наблюдатель — "с носа" или "со спины", он видит ее вращающейся вдоль линии своего движения либо по правому, либо по левому винту. Вейль отнюдь не был физиком (и тем более физиком-ядерщиком), и у него не было никаких опытных данных для такой необычной гипотезы. Он просто построил изящную математическую теорию. Но в то время никто не отнесся к ней всерьез, потому что она не согласовывалась с законом сохранения четности и требовала от природы асимметричности. Вейль не дожил всего два года до того дня, как закон этот был опровергнут и его теория получила титул пророческой. В самом деле, из нее следовало, что у вращающейся частицы должен быть зеркальный двойник — и его нашли!

В 1957 году почти одновременно физики в разных странах (у нас это был академик Лев Давидович Ландау) предложили так называемую "двухкомпонентную теорию нейтрино", согласно которой должно существовать антинейтрино — частица, во всем ему подобная, но только закрученная вдоль своей траектории в противоположную сторону. Потом оказалось, что существуют разные типы пар нейтрино-антинейтрино, выяснилось немало любопытнейших подробностей, но не об этом сейчас речь. "Связь между математикой, естественными науками и философией нигде так не сильна, как в проблеме пространства", — говорил Герман Вейль. И в самом деле — слова пророка! Всего лишь геометрическое, чисто пространственное отличие превращает частицу микромира в своего антипода. А если уж и микромир так сильно зависит от пространственной конфигурации, то и вся Вселенная в целом — объект изучения геометрии.

Да, но почему и микромир? А потому, что о связи с геометрией макромира — от молекул до галактик и Вселенной — было известно и раньше. Помните ловкого спирита Слейда и незадачливого ученого Цёльнера? Кстати, Энгельс в "Диалектике природы" посвятил ему несколько строк: "...если только верить громогласным заявлениям господ спиритов, — и Германия выставила теперь своего духовидца в лице г-на профессора Цёльнера из Лейпцига.

Как известно, г-н Цёльнер уже много лет интенсивно работает в области "четвертого измерения" пространства, причем он открыл, что многие вещи, невозможные в пространстве трех измерений, оказываются само собою разумеющимися в пространстве четырех измерений. Так, например, в этом последнем пространстве можно вывернуть, как перчатку, замкнутый металлический шар, не проделав в нем дыры; точно так же можно завязать узел на не имеющей с обеих сторон концов или закрепленной на обоих концах нитке; можно также вдеть друг в друга два отдельных замкнутых кольца, не разрывая ни одного из них, и проделать целый ряд других подобных фокусов. Теперь, согласно новейшим торжествующим сообщениям из мира духов, г-н профессор Цёльнер обратился к одному или нескольким медиумам, чтобы с их помощью установить дальнейшие подробности относительно местонахождения четвертого измерения. Успех при этом был поразительный. Спинка стула, на которую он опирался верхней частью руки, в то время как кисть руки ни разу не покидала стола, оказалась после сеанса переплетенной с рукой; на припечатанной с обоих концов к столу нитке появились четыре узла и т. д. ... если предположить, что эти сообщения верно передают результаты опытов г-на Цёльнера, то они безусловно знаменуют начало новой эры как в науке о духах, так и в математике. Духи доказывают существование четвертого измерения, как и четвертое измерение свидетельствует о существовании духов".

Так вот, совсем недаром решительный эксперимент, задуманный Цёльнером, состоял в том, чтобы превратить правую винную кислоту в левую. Кислота эта явилась причиной первого крупного успеха великого французского ученого Луи Пастера: "Я только что сделал гигантское открытие! Я так счастлив, что меня бросает в дрожь, я больше не могу спокойно смотреть на поляриметр!" — с такими словами выскочил он из своей лаборатории, когда убедился, что кристаллы винной кислоты могут быть в двух энантиморфных видах. И если под микроскопом отделить левые кристаллы от правых и составить потом два раствора, то один из них будет вращать плоскость поляризации света влево, а другой — вправо. И при этом даже самый тонкий химический анализ не поможет отличить один раствор от другого.

Такие кристаллы, по-разному поляризующие проходящий через них свет, называют оптическими изомерами. Голландский химик Вант-Гофф в 1874 году объяснил это явление тем, что молекулы оптических изомеров — зеркальные отражения друг друга, как, например, у молочной кислоты, формула которой СН₃СН(ОН)СООН и кристаллы которой тоже относятся к этому не столь уж редкому типу. Однако несмотря на простоту объяснения, оптические изомеры дали новый повод для спекуляций и домыслов о существовании четвертого измерения, поскольку они объявлялись просто-напросто двумя разными проекциями одного и того же вещества, "живущего" в не видимом нами мире, размерность которого на единицу больше нашего, трехмерного.

"Сынок, я так глубоко люблю науку, что сердце мое замирает!" — сказал молодому Пастеру его прославленный учитель Жан Батист Био, повторив опыт с право-левыми кристаллами. Не удивительно, что ассиметричные молекулы на долгие годы увлекли Пастера. Через десять лет он придумал новый способ разделить кристаллы: оказалось, что плесень разрушает молекулы винной кислоты лишь одного из двух возможных типов и оставляет зеркальных двойников нетронутыми. "Асимметричный живой организм, — писал он, — выбирает для питания именно ту форму винной кислоты, которая отвечает его требованиям и, несомненно, соответствует какой-то собственной внутренней асимметрии". Пастер был убежден (и тут он не ошибся), что лишь в живых организмах можно обнаружить вещества, состоящие из асимметричных молекул только одного вида. Эта и была, по его мысли, "...единственная четко установленная демаркационная линия, которую можно в настоящее время провести между химией живой материи и химией неживого". Он верил, что стоит узнать способ, которым природа ввела асимметрию в органические соединения, — и до разгадки тайны жизни останется один шаг.

Так это или нет, но ведь факт, что аминокислоты всех природных белков всегда левые, а могли бы с тем же успехом быть и правыми! В каждой живой клетке на нашей планете правые спирали нуклеиновой кислоты. И снова — выбор из двух возможных зеркальных форм. Нуклеиновые кислоты — носители жизни — тоже родились благодаря право-левой асимметрии: все они "левые", а их спирали всегда "правые". Так ли уж не прав Пастер, утверждая, что тут, в геометрических глубинах строения материи, и запрятан ключ к тайнам жизни?

Не только в спирали всем известной ДНК — на каждом шагу геометрия молекул напоминает нам о себе. Лишь правизна отличает искусственно созданное в лаборатории вещество декстраникотин ("декстра" и значит по-латыни "правый") от левоникотина, который входит в состав любого табака. Но про первый медики не говорят худого слова, а второй чуть ли не враг номер один современного человека (во всяком случае, по раковым болезням курильщики уверенно лидируют). Мы жить не можем без витамина С — сразу же наступает цинга. Но точно такое же вещество — с одной лишь разницей: молекулы его зеркально отражены — не оказывает на человеческий организм вообще никакого влияния. А ведь химически они неразличимы.

Форма, геометрические свойства играют в нашем мире удивительную роль. В нем царит таинственная асимметрия, а вовсе не прозрачная симметрия, и потому идея Вселенной в виде трехмерного листа Мёбиуса имеет кое-какие шансы оказаться жизненной. И не так уж она несовместима с привычным нам образом мироздания. В доказательство последней мысли проделайте простой, но прелюбопытный опыт. Погрузите окружность из мягкой проволоки в мыльный раствор. На нее сразу же натянется круг из пленки. (Это будет, кстати, так называемая минимальная поверхность, то есть поверхность минимальной площади, которая может быть "надета" на данный каркас. Такие поверхности используют в технике, потому что они обладают наибольшей возможной жесткостью.) Начните постепенно его деформировать (для этого заранее припаяйте к проволочной окружности две ручки). И что же? Можно, оказывается, перевести двустороннюю мембрану в односторонний лист Мёбиуса. Поразительное явление! А теперь на секунду перенеситесь мыслью в пространство трех, а то и четырех измерений: что за превращения возможны там? Подумайте. Быть может, вы сумеете почерпнуть для этого вдохновение, рассматривая гравюру Эсхера "Рыбы и чешуйки", полную геометрических "завихрений".

"Греки — это не способные школьники или хорошие студенты, но скорее "коллеги из другого колледжа", — писал профессор Джон Инденсор Литлвуд, один из крупнейших современных английских математиков. Поверим ему и не станем с насмешливым превосходством судить Платона за то, что он считал, будто атомы четырех элементов, из которых строится мир (огня, земли, воздуха и воды), имеют форму правильных выпуклых многогранников — тетраэдра, куба, октаэдра и икосаэдра, а весь мир в целом построен в форме додекаэдра. (На 73-й странице книги пять Платоновых тел сопоставлены с гравюрами Эсхера "Фейерверк", "Итальянский пейзаж. 1923", "Россано, Калабрия", "Второй день творения" и "Другой мир. 1947".) Воздержимся от саркастической улыбки и читая о "пятой сущности", или, по-латыни, "квинтэссенции" алхимиков, хотя их "колледж" чужд нам по духу. Подумаем лучше, почему именно додекаэдр, как показали раскопки в Монте Лоффа под Падуей, был любимой игрушкой этрусских детей 2500 лет назад? И почему он же до наших дней остается излюбленной побрякушкой для взрослых, которые делают из него календарь — по месяцу на каждый из двенадцати его граней (одно из изделий такого рода — брелок для ключей, изготовленный нашим "Автоэкспортом")?

Куб (или гексаэдр) и правильная пирамида (или тетраэдр) тоже верно служили большим и малым людям — и их созидательной тяге к строительству, и их разрушительной страсти азарта. Свидетельство тому — детские кубики и пирамидки, а также вся архитектура конструктивизма. Но почему же не куб и не пирамида, а совсем другой правильный многогранник — икосаэдр — хранится в Египетском зале Британского музея, и удивленный посетитель может узнать, что это — игральная кость династии Птолемеев? И почему октаэдр — "пространственный ромб" — от древних времен до наших дней неизменно служит светильником, хотя "начинка" его прошла путь от скоротечной плошки до почти вечной йодной лампы?

И наконец, главный вопрос: почему Платоновых тел (это математический термин) именно пять? Постарайтесь придумать шестое: выпуклый многогранник, каждая грань которого — один и тот же правильный многоугольник, то есть фигура с равными сторонами и равными углами между ними. Когда попытки ваши кончатся безрезультатно, попробуйте найти способ доказать себе и другим известное любому математику утверждение Евклида: существует только пять правильных выпуклых многогранников. И вне зависимости от успеха этого предприятия вы, вероятно, с большим пониманием, чем прежде, отнесетесь к словам профессора Литлвуда. И вне сомнения, с большим, чем в первый раз, интересом станете рассматривать гравюру Эсхера "Звезды", на которой среди прочих тел легко найти всю нашу "великолепную пятерку".

"Различные ветви геометрии находятся в тесных и часто неожиданных взаимоотношениях друг с другом" — такими словами Давид Гильберт предваряет одну из своих книг. Любой, в том числе и этот, рассказ о геометрии служит подтверждением их правдивости.

Леонардо да Винчи любил изготовлять из дерева каркасные модели многогранников. Когда его друг фра Лука Пачоли издал в 1509 году в Венеции книгу "О божественной пропорции", иллюстрациями к ней послужили пятьдесят девять рисунков, сделанных Леонардо со своих моделей. (Впрочем, Пачоли не остался в долгу: он подсчитал для великого скульптора количество металла, потребного для изготовления статуи всадника, — задача по тем временам нешуточная.)

Что же божественного нашел в простых геометрических фигурах Лука Пачоли — человек, живший спустя два тысячелетия после Платона? Или это отзвук, прошедший через века и народы, приписываемой ему Плутархом крылатой фразы: "Бог всегда действует геометрически"?

Нет, фра Лука — монах Пачоли — мыслил реалистичнее: бог — геометр не всегда, но в некоторых случаях. А именно когда речь идет о "золотом сечении" — о таком делении отрезка на две неравные части, чтобы отношение большей части к меньшей равнялось отношению всего отрезка к большей его части. Завяжите простым узлом узкую полоску бумаги и осторожно распрямите его (12). Вы получите правильный пятиугольник, а его диагонали как раз и делят друг друга "в среднем и крайнем отношении" — так еще по-другому называют "золотое сечение". Пачоли нашел, что есть тринадцать "эффектов" этой "божественной" пропорции — "ради нашего спасения", как утверждал он. Он искал эти "божественные эффекты" в самых совершенных созданиях математики — пяти Платоновых телах, строил их из стеклянных плиток, а затем раздавал "для коллекций разных вельмож". В главе "О двенадцатом, почти сверхъестественном свойстве" речь идет о правильном икосаэдре — платоновом теле, ограниченном двадцатью правильными треугольниками.

Вглядитесь повнимательнее в эту древнейшую игральную кость (13). К каждой вершине сбегаются пять треугольников, свободные стороны которых образуют уже знакомый нам правильный пятиугольник. Если же соединить между собой любые два противоположные ребра икосаэдра, то получится прямоугольник, тоже имеющий прямое отношение к "божественной" пропорции, — его большая сторона так относится к меньшей, как сумма сторон — к большей. И именно икосаэдр связан с математической знаменитостью — проблемой "целующихся сфер", которая возникла в споре Исаака Ньютона с оксфордским астрономом Дэвидом Грегори (4).

Наконец, в самые последние годы это звучное греческое слово вновь замелькало в научных статьях: выяснилось, что структура кристаллического бора — идеальный икосаэдр. И даже вирусы, которые раньше так и назывались "сферическими" — например, вирус полиомиелита, — и то, как удалось обнаружить, имеют форму икосаэдра. Но об этом чуть позже.

"Евклид вовсе и не собирался выпускать систематический учебник геометрии. он задался целью написать сочинение о правильных многогранниках, рассчитанное на начинающих, в силу чего ему пришлось изложить все необходимые сведения" — шутка известного английского естествоиспытателя и геометра д'Арси Томпсона, как и всякая хорошая острота, содержит зерно истины. Ведь согласно Проклу, Евклид считал венцом всех тринадцати книг своих "Начал" предложенные им способы построения пяти Платоновых тел — недаром он поместил их в последнюю, тринадцатую книгу. Строить, в его понимании, значило начертить, пользуясь только циркулем и линейкой.

Но прежде чем браться за правильные пространственные тела, Евклиду пришлось "изложить все необходимые сведения" о правильных плоских фигурах.

В первой книге "Начал" он учит, как строить правильный треугольник, а в четвертой — квадрат, пяти-, шести- и пятнадцатиугольник с равными сторонами и углами при вершине. Но вот правильный семиугольник ни Евклиду" ни его последователям построить не удалось, а пытались многие, потому что семиугольная звезда играла определенную роль в астрологии. Однако только в 1796 году Карл Фридрих Гаусс сумел выяснить, какие именно правильные многоугольники могут быть построены с помощью циркуля и линейки, а какие — никогда. Ему было тогда всего 19 лет, и он готовился стать филологом. Открытая закономерность произвела на Гаусса такое сильное впечатление, что он не только забыл и думать о филологии, и не только с головой ушел в математику, но и всю жизнь, уже став великим ученым, гордился своим юношеским успехом. И геттингенцы поставили ему памятник, в пьедестале которого правильный 17-угольник. Сограждане великого математика достойно почтили его память. Установленный Гауссом закон связывает между собой две самые могучие ветви математического древа — геометрию и теорию чисел. ("Математика — царица наук, теория чисел — царица математики", — писал Гаусс.) Закон этот гласит: циркулем и линейкой можно построить правильный n-угольник в том и только в том случае, если число его сторон n разлагается на простые множители, каждый из которых является так называемым "простым числом Ферма", и вдобавок множители эти не повторяются. (Единственное исключение — числа, кратные 2. Они могут, конечно, входить в состав множителей n — ведь нетрудно сколь угодно раз удвоить число сторон уже построенного многоугольника.

"Простые числа Ферма" выражаются простой формулой, придуманной Ферма: 2^2k+1. Вот первые пять таких чисел: 3, 5, 17, 257 и 65 537. Семерка не входит в их число, и потому астрологам придется самим строить свой символ.

В "Математической смеси", переведенной на русский язык книге Литлвуда, есть такая миниатюра:

"Один слишком навязчивый аспирант довел своего руководителя до того, что тот сказал ему: "Идите и разработайте построение правильного многоугольника с 65 537 сторонами". Аспирант удалился, чтобы вернуться через 20 лет с соответствующим построением". Это не совсем анекдот: некто О. Гермес действительно потратил десять лет на такой бессмысленный труд. Рукопись его, заключенная в большой ящик, до сих пор хранится в Геттингенском университете — памятником титанической усидчивости.

Счастье, что руководитель остановился на пятом простом числе Ферма. Возьми он шестое (а вычислить его не так уж трудно: 225+1 = 232+1 = 4 294 967 297), бедняга аспирант до конца своих дней не оторвался бы от чертежей. И дело не в гигантской величине числа сторон. Оказалось, что Ферма ошибался: "шестое простое число Ферма" не постое, а составное: оно разлагается на множители.

Доказать это удалось Леонарду Эйлеру.

"Эйлер... не проглядел ничего в современной ему математике, хотя последние 17 лет своей жизни он был совершенно слепым", — писал один известный историк математики. Не проглядел Эйлер и проблемы многогранников. Если бы Евклид и в самом деле хотел написать многотомное сочинение о Платоновых телах, ом все равно не мог бы сделать этого, не зная формулы Эйлера, с которой мы уже встречались. А ведь она даже проще, чем знаменитый "Понст асинорум" — "Мост для ослов", не преодолев который, нельзя, по мнению Евклида, считать себя разумным человеком (перейдите ради самоутверждения через него и вы: докажете, что углы при основании равнобедренного треугольника равны)! "Некоторые из его простейших открытий таковы, — писал про Эйлера Г. С. М. Коксетер, один из крупнейших современных геометров, — что можно представить себе дух Евклида, вопрошающий: "Почему при жизни на Земле я не додумался до этого?" Но когда слышишь именно эту формулу, то досада "почему не я?!" Невольно берет любого.

Послушайте:

"В любом простом выпуклом многограннике число вершин плюс число граней и минус число ребер равно двум".

Проверьте (еще раз):

на тетраэдре, кубе, октаэдре, на любой фигуре, которую способно измыслить ваше воображение, — с прямо- или криволинейными ребрами, с какими угодно гранями (только без "дыр" — это и значит "простой" многогранник).

Убедитесь (окончательно):

формула Эйлера В+Г-Р = 2 справедлива в любом случае.

12

"Математик, так же как художник или поэт, создает узоры, и если его узоры более устойчивы, то лишь потому, что они составлены из идей". В книге "Апология математики", изданной в Кембридже, эти слова не относятся, конечно, к такой малой частности, как геометрические мозаики. Но, право же, и в этих узорах есть своя идея, не лишенная ни красоты, ни глубины. В сущности, мы живем среди мозаик. Кирпичная кладка домов, паркет в них, стены в ванной комнате — все это они: одни и те же фигуры раз за разом повторяют сами себя — одна к одной, сплошняком. Гравюры Эсхера "Всадники", "Лебеди", "Восемь голов", "Мозаика. II", а также многие другие из его работ тоже представляют собой плоскость, полностью, без "зазоров" покрытую фигурами, которые в то же время не налезают друг на друга. Это и есть то, что геометр назовет мозаикой. А с точки зрения портного или обувщика, математическая мозаика — это выкройка без потерь. Впрочем, мозаичный узор — еще и искусство. Оно достигло наивысшего расцвета семь веков назад в Испании. Правда, мавры не могли заполнять свои плоскости изображениями зверей или птиц, а тем более человека — Коран в ином, правда, смысле, чем Библия, но тоже запрещает "сотворять себе кумира", и потому дивная стенная роспись Альгамбры, дворца арабских султанов в Гренаде, — это мозаика из абстрактных фигур. Но это как раз то, что нас сейчас интересует!

"Математики — вроде французов: когда говоришь с ними, они переводят твои слова на свой язык и сразу получается что-то совсем другое" — в шутке Гёте много смысла. Да, математик вкладывает свою идею в прекрасное искусство мавров. Его даже радует, что в Коране есть запрещение изображать живых тварей. Ближе всего его сердцу узоры, составленные из одинаковых правильных многоугольников, — правильные математические мозаики.

А какие они могут быть? Первое, что приходит в голову, — правильная четырехугольная квадратная мозаика, порождение ограниченности нашей нынешней строительной эстетики, преследующая нас дома и на улице. Какие еще мозаики могут встретиться нам в этом мире? "Треугольная", — скажете вы, и будете правы: равносторонний треугольник заполнит собою всю плоскость. Двуугольных фигур не бывает, и потому следующий претендент на роль мозаичного кирпича...?

"Правильный пятиугольник!" — возможно, скажете вы, и ошибетесь!

Правильные пятиугольники не смогут встретиться в одной вершине, втроем они не сомкнутся вокруг нее, а вчетвером налезут друг на друга. Следующий испытуемый — правильный шестиугольник Тут все в порядке: угол между любыми двумя сторонами равен 120 градусам, значит, три их как раз и образуют 360. Такая мозаика — она называется гексагональной — часто встречается в природе. Это пчелиные соты (16) или, например, поверхность жидкости, подвергнутой высокочастотной вибрации, — такую мозаику можно "остановить" с помощью стробоскопа (17).

Но шестиугольная мозаика — последняя наша удача.

Право, на праведную геометрическую жизнь имеют мозаики только трех типов: {4,4}, {3,6} и {6,3}. Это опять символы Шлефли, и они по-прежнему означают, что в вершине мозаики могут сойтись либо четыре четырехугольника, либо шесть треугольников, либо, наконец, три шестиугольника — и никаких иных правильных многоугольников. Все эти мозаики, переходящие благодаря воображению художника одна в другую, вы увидите на гравюре Эсхера "Метаморфозы. II".

Две последние мозаики очень похожи друг на друга, хотя внешне у них все вроде бы наоборот: вершины одной служат центрами граней другой (18, 19). Символы их {3,6} и {6,3} совсем не случайно симметричны, и не случайно треугольная и гексагональная мозаики называются двойственными. Про квадратную же мозаику {4,4} приходится сказать, что она двойственна сама себе.

"Искусство орнамента содержит в неявном виде наиболее древнюю часть известной нам высшей математики", — пишет в своей прекрасной книге "Симметрия" Герман Вейль. Его высказывание ни в явном, ни в неявном виде не содержит гиперболы: среди декоративных узоров древности, главным образом в египетских орнаментах, дошедших до нас, содержатся все возможные виды симметричного расположения на плоскости любых фигур, а таких видов, оказывается, всего семнадцать. "Вряд ли возможно переоценить глубину геометрического воображения и изобретательность, запечатленные в этих узорах, — продолжает Вейль. — Их построение далеко не тривиально в математическом отношении... 17 видов симметрии, в неявном виде известных еще египетским ремесленникам, исчерпывают все возможные случаи. Довольно странно, что доказательство этого факта было дано лишь в 1924 г. Д. Пойя".

Еще более, пожалуй, странно, что такой крупный специалист, как Герман Вейль, тут ошибается: все эти семнадцать расположений были найдены известным русским ученым Евграфом Степановичем Федоровым и описаны в его работе "Симметрия на плоскости", изданной в Санкт-Петербурге в 1891 году. Впрочем, проблема эта интересовала многих ученых. Шестнадцать из семнадцати групп указал француз Камилл Жордан в "Мемуаре о группах движения" в 1869 году, тринадцать — немец Леонгард Зонке спустя еще пять лет. И, надо сказать, было из-за чего тратить время и бумагу. Речь шла не просто о математических курьезах — создавался подход к пониманию строения кристаллов, "каменных цветов", удивительных созданий Природы.

16

"Симметрия... охватывает свойства всех физических полей, с которыми имеют дело физик и химик", — считал академик Владимир Иванович Вернадский. Но если уж речь идет о физике и химике, то что говорить о математике?

Правильные геометрические мозаики, истинные образцы симметрии, как мы имели удовольствие убедиться, двойственны в том смысле, что центры составляющих их фигур служат вершинами для других фигур. И точно так же дело обстоит у правильных многогранников, только их в этом случае называют взаимными. Октаэдр, например, взаимен кубу[7] (20, 21), икосаэдр — додекаэдру (22), а вот тетраэдр взаимен сам себе (23), как квадратная мозаика тоже сама себе двойственна (19). Об этом говорит и симметрия символов Шлефли — {4,3} и {3,4} у куба и октаэдра, {3,5} и {5,3} — у икосаэдра и додекаэдра, {3,3} — у тетраэдра и {4,4} — у квадратной мозаики. Именно поэтому родственные мозаики и многогранники изящнейшим образом вписываются друг в друга.

Но вот что настораживает. Два тетраэдра, прошедших один сквозь другой, образуют восьмигранник — вы увидите его в правом верхнем углу гравюры Маурица Эсхера "Звезды"[8]. Эта фигура встретится нам в виде гравюры "Двойной планетоид". Лука Пачоли, первым обнаруживший эту фигуру, назвал ее "продолженным октаэдром", а его великий друг Леонардо да Винчи сделал соответствующий деревянный каркас, перерисовав его затем в их общую книгу "О божественной пропорции". "Octacedron elevatus solidus", то есть "продолженный октаэдр сплошной", — написано там его рукой (24). Иоганн Кеплер переоткрыл эту фигуру сто лет спустя и присвоил ей имя "стелла октангула" — "восьмиугольная звезда". Она встречается и в природе: это так называемый двойной кристалл. Но она же перечеркивает все, что было сказано до сих пор! Мы вынуждены признать "стеллу октангулу" правильным многогранником: ведь все ее грани — правильные треугольники одинакового размера и все углы между ними равны!

Что же это — шестое платоново тело?! Нет, просто удавшаяся провокация. В определении правильного многогранника сознательно — в расчете на кажущуюся очевидность — не было расшифровано слово "выпуклый". А оно означает дополнительное требование: "и все грани которого лежат по одну сторону от плоскости, проходящей через любую из них". Если же отказаться от такого ограничения, то к Платоновым телам, кроме "продолженного октаэдра", придется добавить еще четыре многогранника (их называют телами Кеплера-Пуансо), каждый из которых будет "почти правильным". Все они получаются "озвездыванием" Платонова тела, то есть продлением его граней до пересечения друг с другом, и потому называются звездчатыми. Куб и тетраэдр не порождают новых фигур — грани их, сколько ни продолжай, не пересекаются. Если же продлить все грани октаэдра до пересечения их друг с другом, то получится та же знакомая нам фигура, что возникает при взаимопроникновении двух тетраэдров — "стелла октангула", которую совсем недаром Лука Пачоли называл "продолженным октаэдром". Икосаэдр и додекаэдр дарят миру сразу четыре "почти правильных многогранника. Один из них — малый звездчатый додекаэдр (25), полученный впервые Иоганном Кеплером, вы видите на эсхеровских гравюрах "Силы гравитации" и "Порядок и хаос".

"Я недавно встретил человека, который сказал мне, что не верит даже в существование минус единицы, так как из этого следует существование квадратного корня из нее", — рассказывал Э. Ч. Титчмарш, современный английский историк математики. Подобная же история случилась и с кеплеровским звездчатым додекаэдром.

Открыв этот "колючий" многогранник, Кеплер так и назвал его "еж" и поместил в свою удивительную по фантастичности идей книгу "Мировая гармония", где космогонические и астрономические вопросы решались с помощью соотношений, найденных в музыке и в формах правильных многогранников и многоугольников[9]. Но ученые отказывались считать кеплеровского ежа многогранником.

У этого упрямства была своя логика и своя предыстория. Столетиями математики не признавали за всякого рода звездами права называться многоугольниками из-за того, что стороны их пересекаются. А тут — геометрическое тело, гранями которого служат пятиконечные звезды, да еще вдобавок пересекающиеся! Какой же это многогранник?! Людвиг Шлефли, который был уже настолько свободомыслен — все-таки XIX век! — что не изгонял геометрическое тело из семейства многогранников только за то, что его грани самопересекаются, тем не менее оставался непреклонным, как только речь заходила про малый звездчатый додекаэдр. Довод его был прост и весом: это кеплеровское животное не подчиняется формуле Эйлера! Его колючки образованы двенадцатью гранями, тридцатью ребрами и двенадцатью вершинами, и, следовательно, В+Г-Р вовсе не равняется двойке.

Шлефли был и прав, и не прав. Конечно же, геометрический ежик не настолько уж колюч, чтобы восстать против непогрешимой формулы. Надо только не считать, что он образован двенадцатью пересекающимися звездчатыми гранями, а взглянуть на него как на простое, честное геометрическое тело, составленное из 60 треугольников, имеющее 90 ребер и 32 вершины[10].

Тогда В+Г-Р = 32+60-90 равно, как и положено, 2. Но зато тогда к этому многограннику неприменимо слово "правильный" — ведь грани его теперь не равносторонние, а всего лишь равнобедренные треугольники.

Красоте малого звездчатого додекаэдра находится на удивление мало места в нашей жизни: он служит разве что светильником, да и то очень редко. Даже изготовители елочных украшений и то не додумались сделать трехмерную звезду, а ею как раз и оказался бы этот многогранник.

20

"Я тут не так давно разработал очень любопытный удар лапой эн в икс направлении", — говорит Дракон в пьесе Евгения Львовича Шварца. Очевидно, и омерзительный "летун-хлопотун" что-то искал в многомерном пространстве — наверное, защиту от неминуемой кары. Швейцарского математика Людвига Шлефли, символами которого мы пользовались, говоря о плоских мозаиках и трехмерных многогранниках, интересовало другое. В своей книге "Теория многократной непрерывности" он поставил такой вопрос: правильных многоугольников на плоскости может быть сколько угодно, правильных же многогранников существует только пять. Но это в пространстве трех измерений, а что будет в четвертом? Шлефли установил, что там имеют вид на жительство шесть правильных гипертел — аналогов пяти платоновых. Эти правильные сверхмногогранники, или политопы, состоят из Платоновых тел, которые называются теперь "ячейками политопа", соединенных между собой так, что каждая грань их принадлежит двум, а каждое ребро — сразу нескольким ячейкам. Если, как принято, обозначить это "нескольким" латинской буквой r, то символ Шлефли для политопа будет выглядеть так: {р, q, r}.

Что он означает, наверное, ясно.

Итак, политоп — крайний член последовательности все усложняющихся геометрических образцов: точка — линия — многоугольник — многогранник — политоп. Само это слово придумал в 1882 году Рейнгольд Хоппе — тот самый немецкий математик, что пусть с опозданием на 180 лет, но сумел рассудить спор Ньютона и Грегори, с рассказа о котором началась эта книга. Но в научный обиход оно вошло уже только в нашем веке благодаря Алисе Стотт, родной сестре Этель Лилиан Войнич, автора романа "Овод". Их отец Джордж Буль, известный математик, создатель целой науки — алгебры логики, сумел передать каждой из пяти дочерей часть своих разносторонних талантов. Алиса, например, обладала прекрасным пространственным воображением — она умела воображать четырехмерные фигуры. Сделанные ею модели политопов и по сию пору можно увидеть в Кембридже.

"Хотя аналогия часто вводит в заблуждение, это наименьшее из того, что вводит нас в заблуждение", — писал Сэмюэл Батлер в книге "Музыка, картины и книги". Модели — это, конечно, лишь грубая аналогия. Но их несомненное достоинство? подкупающая простота. Самую примитивную из самоделок, подобных тем, что делала Алиса Стотт, может без труда изготовить любой из подручных материалов, например из проволоки. Если рядом с тетраэдром, правильной пирамидой, расположить некую точку так, чтобы она находилась ото всех вершин пирамиды на расстоянии, равном ее ребру, то получится первый из наших политопов — правильный симплекс, речь о котором уже шла, когда мы делали первые свои шаги в четырехмерье. Его можно рассматривать пятью разными способами как пирамиду, у которой любая вершина играет роль "верхней", а остальные четыре определяют основание. Его проекция на плоскость представляет собой уже не раз встречавшийся нам правильный пятиугольник с вписанной в него пентаграммой — всем нам знакомой пятиугольной звездой. Видно, что у симплекса пять вершин, десять ребер, десять "обычных" двумерных граней и пять трехмерных сверхграней — четырехгранных пирамид, слагающих его "тело". В вершине политопа, "верхней вершине", встречаются три тетраэдра, то есть три трехгранные ячейки, в вершинах которых сходятся по три треугольника. Потому и символ Шлефли выглядит однообразно: {3,3,3}.

Другой аналог Платоновых тел — снова наш старый зйакомый гиперкуб, или "тессаракт", или "измерительный политоп". Как куб можно получить, перемещая квадрат по третьему измерению, так и сверхкуб образуется от движения обычного куба вдоль четвертого измерения. В его вершине назначают себе рандеву три обычных куба, а потому его символ {4,3,3}.

Что же касается остальных четырех правильных политопов, то их представить себе еще сложнее. И в самом деле, попробуйте вообразить фигуру, в каждой вершине которой встречаются четыре и даже пять тетраэдров — {3,3,4} и {3,3,5} или три додекаэдра — {5,3,3}. Внимательный глаз обнаружит, глядя на символы Шлефли, что первый из этих политопов взаимен гиперкубу, два последних — друг другу, а симплекс, как и слагающие его тетраэдры, обойден по части взаимности: у него тут полное самообслуживание. Впрочем, эти соображения куда меньше помогут вообразить облик политопов, чем фотографии моделей двух из них — правильного 120-ячейника, имеющего символ Шлефли {5,3,3}, и взаимного ему правильного 600-ячейника с символом, естественно, {3,3,5} (30, 31). Модели эти представляют собой трехмерные фоекции четырехмерных тел и вместе с тем — чудо ювелирной точности и геометрической интуиции. На выставке "Столетие прогресса" в Чикаго они постоянно собирали вокруг себя восхищенных посетителей. Сделал их Поль Дончиян, армянин, родившийся в Америке, ?го прадед был придворным золотых дел мастером у турецкого султана, и среди других его многочисленных родственников в разных странах Востока многие тоже мыли умелыми ремесленниками. Сам Поль Дончиян до тридцати лет управлял завещанной отцом ковровой фабрикой, пока вдруг ему не начали сниться сны пророческого характера. Но Дончиян не сделался ни предсказателем, ни мистиком. Он решил изучить четвертое изменение, поскольку именно оттуда, по распространенному среди спиритов убеждению, и вещали духи. Задача была: свести все вопросы к самым простым, которые смог бы понять любой человек, не имеющий, как и он сам, никакого математического образования.

"Как геометр, напрягший все старанья... таков был я" — в последних строфах, подводя итог своему гигантскому труду, Данте Алигьери этим сравнением решил дать читателю почувствовать, как много сил, воображения и знаний потребовала от него "Божественная комедия". Известно — это подметил еще Галилей, а снова вернулся к этому вопросу П. А. Флоренский в книге "Мнимости в геометрии", вышедшей в 1921 году, — что геометрия Дантова ада — неевклидова. Но она все-таки трехмерная!

Чтобы вторгнуться в четвертое измерение наиболее ощутимым образом, Поль Дончиян стал делать модели четырехмерных тел. Точнее, он спаивал из тонких проволочек объемные проекции этих тел в наше, третье измерение. Видом в плане в профиле ему служили чертежи, полученные геометрами, — например, тот, что создал голландский математик Ван Осе (32). И. Дончиян, как опытный строитель, воссоздавал по ним объемные фигуры. Он не стремился покрывать грани каким-либо материалом — ведь тогда ребра стали бы видимыми только для существ из четвертого измерения. Его модели — это "скелеты" фигур, то, что Леонардо да Винчи на своих рисунках к книге Луки Пачоли обозначил латинским словом "вакуус" — пустой, полый.

"Соединяя части фигуры между собой, приходится постоянно сверяться с известными проекциями на плоскость, но в то же время не забывать о здравом смысле, — писал о своей работе сам П. Дончиян. — К счастью, модели обладают тем, что в технике называется "защитой от дурака": если допущена ошибка, то она сразу видна и дальнейшая работа становится невозможной. Зато последняя операция — соединение друг с другом внешних и внутренних секций — таит в себе нечто от того волнения, что испытывают две группы рабочих, пробивающих туннель с двух разных сторон горы, когда они, наконец, встречаются и видят, что рыли точно по одной прямой".

Но минуты восторга были редкими, а работа требовала воображения, необычайного терпения и кропотливого, тонкого труда. Зато и результаты ее были намного более впечатляющими, чем даже фотографии получившихся моделей, — ведь как ни размести камеру, все равно какие-то из многочисленных ребер обязательно перекроют друг друга.

"Но живут, живут в N измерениях вихри волн, циклоны мыслей, те, кем смешны мы с нашим детским зреньем, с нашим шагом по одной черте", — писал Валерий Брюсов в своем известном стихотворении "Мир N измерений". И если сегодня удается несколько "приоткрыть засов", стерегущий наш мир трех координат, наши "высь, ширь и глубь", то заслуга в том не поэтов, а математиков — создателей n-мерной геометрии. Их трудами создано немало ухищрений, с помощью которых случается иной раз проникнуть в многомерность.

"Мы должны создавать бесконечное множество новых миров, законы которых мы сможем постигнуть, хотя нога человека никогда не ступит туда", — писал венгерский математик Ласло Фейеш Тот. Мы должны создавать эти миры хотя бы уже потому, что, как считал Николай Иванович Лобачевский, даже самая абстрактная математика когда-нибудь обязательно найдет себе применение. Политопы, порождения изящнейших построений геометрического ума, воспарившего к высшим измерениям, уже с лихвой отработали затраченные на них усилия человечества. Они исправно трудятся в теории связи и линейном программировании — практичнейших из практичных науках. Отточенный из них математический аппарат, накопленный опыт и интуиция служат, когда надо выбирать наибыстрейший способ соединения двух абонентов или самый короткий маршрут, или наилучшую загрузку оборудования, — и вообще во всех случаях, когда решается задача со многими связанными друг с другом неизвестными, которые можно представить как элементы многомерного политопа.

"Математика содержит в себе черты волевой деятельности, умозрительного рассуждения и стремления к эстетическому совершенству", — считал Рихард Курант, известный ученый, ныне покойный, бывший иностранным членом нашей Академии наук. Не одна лишь необычная страсть Поля Дончияна говорит о верности этой мысли, таких свидетельств много. Вот одно из последних. Авторское свидетельство, выданное советским изобретателям В. В. Тишину и В. П. Леонову, называется прозаично — "Строительный элемент". Но, быть может, оно несет революцию в строительное дело. В самом деле, вместо огромного количества (сейчас их около трех тысяч) деталей, из которых сегодня собирают здания, предлагается всего два элемента: плита и рама, которые, по сути, представляют собой одну деталь, только рама — полая, а плита — сплошная. Из них получаются и стены, и крыши, и фундамент, и межэтажные перекрытия. Мало того, здание можно потом разобрать, и все его детали использовать в другой стройке — не обязательно даже дома, а, например, взлетно-посадочной полосе на аэродроме.

30

"Дорогая тетя, сообщаю вам, что я намереваюсь жениться... не бойтесь, она не математик", — писал в свое время знаменитый физик Джеймс Клерк Максвелл.

"Лекции, которые на самом деле учат, никогда не могут быть популярными; популярные же лекции не могут обеспечить подлинного обучения", — говорил его не менее прославленный соотечественник Майкл Фарадей.

Страх перед сухостью, строгостью, неэмоциональностью математики — а эти качества приписывают ей до того, как перевернут хоть одну страницу математической книги, — многих людей лишил радости свободного, ничем не стесненного полета мысли. А человека, который мог бы — нет, не лекциями и речами, а самим фактом своего существования — разрушить этот стойкий антиматематический предрассудок, рядом не оказалось... Что ж, не всем ведь везет, да и не все везенья заслуживают. "...Миссис Сабин после того, как вышла замуж, выучила математику своего мужа, а она, надо полагать, не ради этого выходила замуж", — писал Максвелл своей жене-нематематику спустя год после свадьбы. Он вел борьбу за ее душу — за то, чтобы им повезло.

"Математика — наука точная потому, что она наука тощая", — не отказал себе в парадоксальном высказывании Георг Вильгельм Фридрих Гегель.

"Природа говорит языком математики буквы этого языка — круги, треугольники и иные математические фигуры" — это весьма современно звучащая фраза принадлежит Галилео Галилею.

И в самом деле, математический язык — предельно точный, четкий способ рассказать о самых главных, существенных свойствах Природы. Именно потому, что он лишен всяческих излишеств, язык этот может служить скелетом мысли, какой бы сложной или непривычной она ни была.

Хорошо известная фраза Фарадея обычно вырывается из контраста — не приводится ее продолжение: "...И все же лекции могут (вообще говоря) много дать уму". Хотелось бы добавить "и сердцу", ибо мысли о том, как устроен окружающий нас мир, не просто развивают сознание — они делают человека иным во всех сферах его жизни. Фарадей мог позволить себе поворчать по поводу несовершенства методов популяризации науки — сам-то он всю жизнь вел ее пропаганду: например, по собственной инициативе в течение нескольких лет читал две большие серии так называемых рождественских чтений для детей — "О различных силах в природе" и "История свечи". Истинным гениям науки, сделавшим в ней гигантские шаги вперед, было ясно, что порой необходимо потратить силы и время на то, чтобы рассказать людям о случившихся переменах таким образом, который дал бы им возможность понять смысл происходящего в науке.

"Всякий, кто хоть раз пытался популярно изложить какое-либо научное положение, знает, какие огромные трудности стоят на этом пути. Можно преуспеть в доходчивости, уйдя от изложения сущности проблемы и ограничившись лишь смутными намеками на нее и таким образом обмануть читателя, внушив ему иллюзию понимания. Можно, наоборот, квалифицированно и точно изложить проблему, но так, что неподготовленный читатель скоро потеряет мысль автора и лишится возможности следовать за ней дальше.

Если исключить из сегодняшней научно-популярной литературы эти две категории, то останется на удивление мало. Но зато эти немногие работы поистине неоценимы. Они решают важнейшую задачу — дать возможность широким слоям людей в полной мере осознать усилия, прилагаемые учеными, и результаты научных исследований. Ибо никак нельзя мириться с тем, чтобы каждое новое достижение в науке было известно лишь нескольким ученым в этой области, даже если им удастся вполне оценить его, развить и применить в своей работе. Ограничить круг посвященных небольшой группой специалистов — это значит умертвить философский дух народа, а отсюда прямой путь к духовной нищете". Слова эти написаны Альбертом Эйнштейном 10 сентября 1948 года. Они служат предисловием к книге Линкольна Барнетта "Вселенная и доктор Эйнштейн", но могли бы наполнить смыслом любую страницу любой книги, в которой делается попытка просто рассказать о сложных вещах.

...Вот вы и близки к тому, чтобы кончить читать книгу, построенную так же, как и эти несколько заключающих ее фраз.

Более того, даже весьма далекую от проблем науки книгу рассказов, изданную в 1982 году, Сергей Сартаков, секретарь правления Союза писателей СССР, назвал "Лист Мёбиуса". Причем идея односторонней поверхности играет в ней довольно заметную роль и изложена вполне точно.

Здесь, а также далее, в скобках стоят номера рисунков, гравюр, фотографий и чертежей, которые, если взглянуть на них, порой могут доставить несколько секунд удовольствия, не говоря уже о том, что они имеют прямое отношение к тексту.

До Эйлера эту формулу знали Декарт и Лейбниц.

"В запасе осталось еще пятое многогранное построение, — пишет Платон в "Тимее", — его бог определил для Вселенной и прибегнул к нему, когда разрисовывал и украшал ее".

Гравюра "Восемь голов". См. "Указатель гравюр Маурица Корнелиса Эсхера, иллюстрирующих книгу".

Мотив со всадниками — гравюру, так и названную "Всадники", вы найдете в этой книге, пользуясь все тем же "Указателем", помещенным в конце ее.

"Среди правильных тел самое первое, начало и родитель остальных — куб, а его, если позволительно так сказать, супруга — октаэдр, ибо у октаэдра столько углов, сколько у куба граней, а центры граней куба соответствуют вершинам октаэдра", — писал Кеплер. Это видно и на гравюре Эсхера "Кристалл".

На этой же гравюре внимательный глаз различит и все правильные многогранники. В частности, нижний хамелеон держится nej редкими лапами за октаэдр и тетраэдр, а хвостом обвил другой октаэдр. Верхняя же тварь, наоборот, обвила хвостом ребро тетраэдра, а лапами вцепилась в два октаэдра.

Полное название этой книги, вышедшей в 1619 году, — "О гармонии мирл пять книг". Разными авторами оно переводится как "Гармония мира" и как "О гармонии мира".

На каждой из двенадцати пятиугольных граней "обычного" Додекаэдра возводится по пирамиде, следовательно, всего граней становится 5*12 = 60. Каждая пирамида добавит додекаэдру по пять ребер — всего их станет 30+(5*12) = 90. И, наконец, любая пирамида увенчана вершиной, поэтому к двадцати вершинам додекаэдра добавится еще двенадцать, итого 32. Все это хорошо видно на гравюре "Силы гравитации".

Множество звездчатых тел получил советский исследователь В. Н. Гамаюнов. Фигуры эти, обладающие своеобразной красотой, легли в основу нескольких архитектурных проектов" созданных В. А. Сомовым и А. М. Бреславцем.

Это если считать по дате опубликования работы. Но Людвиг Шлефли получил то же доказательство раньше. Его рукопись долго пролежала в университетах Лейпцига и Берна и была опубликована лишь а 1901 году, через шесть лет после смерти автора.

Здесь читателю книги, чтобы стать "зрителем" фильма, надо найти гравюру "Метаморфозы. II".

Гравюра "Вербум". См. "Указатель".

Гравюра "Поднимаясь и опускаясь".

Эта фигура уже использовалась в этой книге. См. рис. 8 на с. 32.

Гравюра "Вверху и внизу". — Прим. режиссера.

Гравюра "День и ночь", занимающая весь экран. — Прим. оператора.

Я всегда улыбаюсь, когда рассматриваю гравюру "Относительность". — Прим. сценариста.

"Картинная галерея" — именно так называется гравюра Эсхера.

Здесь камера движется "внутрь" гравюры. "Все меньше и меньше. 1"

Имеется в виду последняя из созданных художником гравюр, названная им "Змеи", и эскизы к ней. — К. П.