А ну-ка, догадайся!

3. ГЕОМЕТРИЯ Парадоксы о плоскости, пространстве и невозможных формах

Большинство людей понимает под геометрией евклидову геометрию на плоскости, то есть изучение свойств жестких плоских фигур. В этой главе мы будем понимать геометрию в более широком смысле — так, как се определил более века назад Феликс Клейн. Геометрия, по Клейну, занимается изучением свойств фигур в пространстве любого числа измерений, остающихся неизменными, или инвариантными, относительно любой заданной группы преобразований. Предложенная Клейном концепция геометрии оказалась наиболее плодотворной для унификации понятий в современной математике. В евклидовой планиметрии и стереометрии допустимые преобразования состоят из трансляций (перемещений с одного места на другое), зеркальных отражений, поворотов и сжатий или растяжений. Более глубокие преобразования приводят к аффинной геометрии, проективной геометрии, топологии и, наконец, теории множеств, в которой фигуру разрешается «рассыпать» на отдельные точки, с тем чтобы составить из них новую фигуру.

Швейцарский психолог Жан Пиаже считает, что дети постигают геометрические свойства в обратном порядке. Например, малышу легче понять различие между кучкой красных и кучкой синих шариков (теория множеств) или между замкнутой в кольцо и разомкнутой резиновой лентой (топология), чем отличить пятиугольник от шестиугольника (евклидова геометрия).

Топология — довольно необычный раздел геометрии, изучающая свойства фигур, инвариантные относительно непрерывных деформаций. Представьте себе, что фигура или тело изготовлены из резины. Вы можете как угодно изгибать, растягивать и сжимать ее. Запрещается только отрывать части и приклеивать их.

Например, лист Мёбиуса обладает таким топологическим свойством, как односторонность: если представить его сделанным из резины, то как бы вы ни изгибали и ни растягивали его, он все равно останется односторонним. Многие собранные в этой главе парадоксы связаны с топологическими свойствами.

Преобразованиям отражения, переводящим асимметричные фигуры, например прописную букву Л, в их зеркальные отражения, мы уделяем внимание не только потому, что с отражениями связано много парадоксов, но и потому, что они играют важную роль в современной геометрии и естественных науках. Зеркальная симметрия играет фундаментальную роль в химии, особенно органической, в которой большинство соединений существует в двух формах (левой и правой), в кристаллографии, биологии (в частности, в генетике) и в физике элементарных частиц.

Хотя некоторые из собранных в этой главе парадоксов могут показаться забавными безделушками, каждый из них, как вы вскоре убедитесь, довольно быстро и незаметно приводит к таким важным разделам математики, как теория групп, математическая логика, теория бесконечных последовательностей, рядов и пределов. Те, кто изучает геометрию, обычно уделяют так много внимания построениям с помощью циркуля и линейки и доказательству сложных теорем, что совершенно упускают из виду связи, существующие между геометрией и другими областями математики, не говоря уже о нескончаемых и прекрасных приложениях, которые геометрия находит в астрономии, физике и других науках.

_{Марвин пускается в путь вокруг дерева. Миртль, потихоньку переступая, прячется от Марвина за стволом и также обходит вокруг дерева.}

_{Описав полный круг, Марвин и Миртль возвращаются на исходные места. Обошел ли Марвин вокруг Миртль?}

Этот старинный парадокс многие знают как историю о белке и охотнике. Белка сидит на дереве. Охотник, пытаясь подкрасться к ней сзади, обходит вокруг дерева, но зверек, не спуская глаз с охотника, прячется за стволом и постепенно описывает полный круг.

Обойдет ли охотник вокруг белки после того, как он обойдет вокруг дерева?

Разумеется, на этот вопрос невозможно ответить, пока мы не условимся, в каком смысле надлежит понимать слово «вокруг». Многие слова в повседневной речи не имеют точных определений. Остроумный разбор парадокса с охотником и белкой дан в классическом философском сочинении Уильяма Джеймса «Прагматизм». Джеймс приводит этот парадокс как модель чисто семантического разногласия. Трудности такого рода исчезают, как только обе стороны осознают, что спор по существу идет об определении слова. Если бы люди отдавали себе ясный отчет в важности точных определений того или иного слова, многие ожесточенные споры разрешались бы почти столь же безболезненно.

_{Луна обращена к Земле всегда одной и той же стороной. Совершает ли она полный оборот вокруг своей оси за то время, которое требуется ей, чтобы совершить полный оборот вокруг Земли?}

_{Итак, вращается ли Луна вокруг своей оси? Обходит ли парень вокруг девушки, прячущейся от него за деревом? Настоящие ли это парадоксы, или в обоих случаях.}

_{Спор идет лишь о значении слова?}

Этот парадокс, как и предыдущий, по существу сводится к семантической проблеме: в каком смысле понимать выражение «вращается вокруг своей оси»?

Относительно наблюдателя, находящегося на Земле, Луна не вращается вокруг свой оси. Относительно наблюдателя, находящегося за пределами системы Земля — Луна, наш естественный спутник вращается вокруг оси.

Трудно поверить, но даже люди, известные своей ученостью, относились к этому парадоксу весьма серьезно. Август Де Морган в первом томе своей книги «Кладезь парадоксов» дал обстоятельный обзор нескольких брошюр XIX в., подвергавших резкой критике тезис о том, что Луна вращается вокруг собственной оси. Лондонский астроном-любитель Генри Перигэл был неистощим на аргументы, опровергавшие вращение Луны. По словам автора посвященного ему некролога, «главной астрономической целью жизни» Перигэла было убедить всех в том, что Луна не вращается вокруг своей оси. Перигэл писал брошюры, строил модели и даже сочинял поэмы, чтобы опровергнуть широко распространенное убеждение в том, будто Луна вращается, «стойко перенося непрерывное разочарование при виде того, как ни один из его аргументов не достигает цели».

В связи с парадоксом о вращении Луны нельзя не упомянуть об одной замечательной геометрической задачке. Начертите два соприкасающихся круга одного и того же радиуса. Представьте себе, что это два диска. Будем обкатывать один диск вокруг другого так, чтобы он не проскальзывал и ободы дисков все время соприкасались. Сколько раз повернется катящийся диск вокруг своей оси, пока совершит полный оборот вокруг неподвижного диска?

Большинству людей кажется, что катящийся диск повернется вокруг своей оси один раз. Предложите им проверить свой ответ на двух монетах одного и того же размера. К своему удивлению, они обнаружат, что за один оборот вокруг неподвижной монеты катящаяся монета успевает дважды повернуться вокруг своей оси!

В парадоксе с Луной и Землей, ответ на этот вопрос. Но, вращается ли катящаяся монета? Как и зависит от системы отсчета наблюдателя. Относительно начальной точки касания с неподвижной монетой катящаяся монета совершает один оборот. Относительно вас, наблюдателя, глядящего на монеты со стороны, катящаяся монета за один оборот вокруг неподвижной монеты поворачивается дважды. Когда задача о монетах была впервые опубликована в журнале Scientific American за 1867 г., в редакцию хлынул поток негодующих писем от читателей, придерживавшихся противоположного мнения.

Читатели довольно быстро установили связь между парадоксом с монетами и парадоксом с Луной и Землей. Те, кто считал, что катящаяся монета успевает за один оборот вокруг неподвижной монеты лишь один раз повернуться вокруг собственной оси, склонялись к мнению, что Луна не вращается вокруг собственной оси. «Станут ли вращаться вокруг собственных осей голова, глаза и позвонки кошки, — вопрошал один из читателей, — которую вы крутите за хвост у себя над головой?.. Разве несчастное животное не погибло бы на девятом обороте?»

Редакционная почта достигла столь угрожающих размеров, что в апреле 1868 г. редакторы объявили о прекращении дискуссии на страницах журнала Scientific American и о продолжении ее на страницах нового журнала The Wheel («Колесо»), специально посвященного «великой проблеме». По крайней мере один номер журнала вышел. Основное место среди иллюстраций там занимают многочисленные схемы и рисунки сложных устройств, призванных, по замыслу приславших их читателей, убедить редакторов в ошибочности занятой ими позиции.

Вращение небесных тел порождает различные эффекты, которые можно обнаружить с помощью таких устройств, как маятник Фуко. Если такой маятник поместить на Луне, то окажется, что, совершая обороты вокруг Земли, Луна вращается вокруг своей оси. Можно ли считать эти физические соображения аргументом, подтверждающим вращение Луны вокруг собственной оси независимо от системы отсчета наблюдателя?

Как ни удивительно, но в свете общей теории относительности ответ на этот вопрос должен быть отрицательным. Вы можете считать, что Луна вообще не вращается, а вся Вселенная (независимо от того, зависит или не зависит ее пространственно-временная структура от распределения материи) вращается вокруг Луны. Вращающаяся Вселенная создает такие же гравитационные поля, как и Луна, вращающаяся в неподвижном космосе. Разумеется, за неподвижную систему отсчета все же удобнее принимать Вселенную. Но, строго говоря, вопрос о том, «действительно» ли вращается или покоится любой объект, в теории относительности не имеет смысла. «Реально» лишь относительное движение.

_{Зеркала таят в себе немало удивительного. Том и Ребека однажды побывали на вечере, где каждому вновь прибывшему гостю прикалывали на грудь ленту с его именем.}

_{А разве не удивительно, что зеркала переставляют только левую и правую стороны, но не меняют местами верх и низ?}

_{В действительности зеркала изменяют на обратную последовательность, в которой расположены точки на прямых, перпендикулярных поверхности зеркала. Эти три шарика расставлены вдоль прямой, перпендикулярной поверхности зеркала, поэтому их зеркальные отражения располагаются в обратном порядке.}

_{Если вы стоите на зеркальном полу, то ваша ось «верх — низ» перпендикулярна плоскости зеркала и при отражении перед остается передом, левая сторона — левой стороной, но голова оказывается обращенной вниз, а ноги — вверх.}

_{Если вы стоите боком к зеркалу, то ваша ось «право — лево» перпендикулярна его поверхности.}

_{При отражении в зеркале голова останется вверху, ноги — внизу, перед останется передом, но правая и левая стороны поменяются местами.}

_{Если вы стоите лицом к зеркалу, то при отражении ваша голова останется вверху, ноги — внизу, но передняя и задняя стороны поменяются местами. Поскольку у вашего зеркального отражения левая рука находится со стороны, противоположной той, где она оказалась бы, если бы вы прошли сквозь зеркало и повернулись кругом, мы говорим, что зеркало меняет местами правое и левое.}

_{Почему это зеркало перевертывает только ЧАЙ, а не КОФЕ? В действительности зеркало перевертывает оба слова, но поскольку буквы К, О, Ф и Е почти симметричны относительно горизонтальней оси, их зеркальные отражения мало отличаются от оригиналов, и создастся иллюзия, будто слово КОФЕ не переворачивается «вверх тормашками».}

_{Что произойдет, если два плоских зеркала поставить под прямым углом? Такой зеркальный угол даст необращенное изображение. Ребека видит себя такой, какой ее видят другие люди!}

Поскольку каждая буква слова ТОМ обладает вертикальной осью симметрии, его зеркальное отражение совпадает с оригиналом. В слове РЕБЕКА вертикалыюй осью симметрии обладает только буква Л. Поэтому при отражении в зеркале только она переходит в себя, а остальные буквы — в зеркальные отражения, отличные от их исходных начертаний.

Почему зеркало меняет местами правую и левую стороны, но оставляет на месте верх и низ? Подобно парадоксу с Луной и Землей, этот парадокс приводит к вопросу, на который невозможно ответить, не условившись предварительно относительно значений таких слов, как «левое», «правое», «менять местами».

Более подробный анализ того, что происходит при отражении в зеркале см. в книге: Гарднер М. Этот правый, левый мир. —М.: Мир, 1967. Там же вы сможете почерпнуть обширные сведения о зеркальной симметрии и ее роли в естественных науках и повседневной жизни. — Пер.]

Буквы в слове КОФЕ обладают горизонтальной осью симметрии (в некоторых типографских гарнитурах симметрия относительно горизонтальной оси может незначительно нарушаться). Следовательно, если к слову КОФЕ приставить зеркало сверху (или снизу), то буквы К, О, Ф и Е при отражении перейдут в себя. В слове ЧАЙ буквы не обладают симметрией относительно горизонтальной оси, поэтому при отражении в приставленном сверху зеркале они переходят в знаки, отличные от букв Ч, А и Й.

Какие еще слова не изменяются при отражении в зеркале, приставленном к ним сверху? Для того чтобы ответить на этот вопрос, необходимо перебрать все прописные буквы русского алфавита и отобрать нз них те, которые обладают горизонтальной осью симметрии: В, Е, Ж, 3, К, И, О, С, Ф, X, Э (в зависимости от типографской гарнитуры симметрия букв может несколько нарушаться). Из них можно составить слова, переходящие в себя при отражении в зеркале, приставленном сверху или снизу, например ЭХО, НОС, ФОН, СНЕЖОК и др.

Необращенное изображение своего лица вы можете увидеть, взглянув в два карманных зеркальца, составленных под прямым углом. (Вертикальная ось симметрии вашего лица должна лежать в плоскости, делящей пополам угол между зеркалами. Составив зеркала, пошевеливайте ими: если угол раствора прямой, вы должны видеть полное отражение своего лица.) Если вы подмигнете левым глазом, то ваше зеркальное отражение подмигнет вам глазом, расположенным против вашего правого, а не левого глаза, как можно было бы ожидать. Обе половины вашего лица отражены дважды — каждым из двух зеркал.

Возможно, собственное лицо покажется вам незнакомым. Глядя в обычное зеркало, вы всегда видите отражение своего лица, у которого правая и левая половины переставлены. Хотя лицо обладает вертикальной осью симметрии, правая и левая половины редко бывают полностью зеркально-симметричными. Когда вы видите свое необращенное лицо, небольшие различия между его правой и левой половинами делают его непривычным, хотя указать, что именно кажется странным бывает довольно трудно. И все же именно так вы выглядите в глазах всего мира! Более того, привычное вам зеркальное отражение вашего лица кажется странным для тех, кто видит вас без зеркала.

Существует хороший способ проверить, насколько вы разобрались в механизме действия двойного зеркала: спросите себя, что вы увидите, взглянув в два зеркала, составленные под прямым углом так, чтобы ребро образуемого ими двугранного угла заняло горизонтальное положение? Двукратное отражение в таком зеркале окажется перевернутым! Является ли перевернутое изображение вашего лица еще и обращенным? Нет, перевернутое отражение, как и прямое, не обращено. Стоит вам подмигнуть левым глазом, как вы увидите, что лицо в зеркале подмигнет вам глазом, расположенным против вашего правого глаза.

Все эти фокусы с зеркалами служат великолепным введением в теорию симметрии и отражений в курсе геометрических преобразований. Элементарная теория преобразований позволяет объяснить все парадоксы, связанные с зеркальной симметрией.

_{Сколько, по-вашему, здесь кубиков: 6 или 7?}

_{Кто изображен на портрете: прекрасная незнакомка или старая ведьма?}

_{Что вы здесь видите: куб, стоящий в углу комнаты, куб, прилепленный извне к большому блоку, или выемку в форме куба в большом блоке?}

Все эти оптические иллюзии — примеры того, как один и тот же рисунок может по-разному восприниматься нашим сознанием. В первом случае ваш разум воспринимает плоский рисунок как перспективное изображение сложенной из кубиков пирамиды, причем рисунок допускает две интерпретации.

Они обе одинаково допустимы, и наш разум колеблется между ними, будучи не в силах отдать предпочтение ни одной из них.

То же можно сказать и о портрете то ли прекрасной молодой девушки, то ли безобразной старухи.

Невозможно видеть что-нибудь одно: наш разум непрестанно мечется от одной интерпретации к другой.

Третья оптическая иллюзия допускает сразу три интерпретации. Для большинства людей труднее всего увидеть блок с кубической выемкой, поскольку такие выемки встречаются сравнительно редко. Но если вы, глядя на рисунок, попытаетесь представить себе, что перед вами блок, из которого вырезан кубик, то сможете увидеть выемку. Обучение «видению» трех возможных интерпретаций последнего рисунка тесно связано с вашей способностью интерпретировать геометрические чертежи. В геометрии неверное «видение» чертежа — один из основных источников ошибок.

_{У всемирно известного фокусника мистера Рэнди есть ковер размером 13х13 дм². Он обратился к торговцу коврами Омару с просьбой сделать из его ковра другой — размером 8х21 дм².}

_{М-р Рэнди. Мой дорогой Омар! Великий Рэнди никогда не ошибается. Вот вам выкройка. Разрежьте ковер по ней.}

_{Когда Омар разрезал ковер по выкройке, Рэнди расположил куски ковра по-другому, и Омар, искусно сшив их, получил новый ковер размером 8х21 дм².}

Этот классический парадокс настолько поразителен и труднообъясним, что вы не пожалеете, если перечертите выкройку мистера Рэнди на бумаге в клеточку и, разрезав ее на части, составите из них прямоугольник. Если части прямоугольника не очень велики и вырезаны и вычерчены с обычной, не слишком высокой точностью, то вы вряд ли заметите, что вдоль главной диагонали прямоугольника эти части слегка перекрывают одна другую. Именно тем, что части не прилегают друг к другу, а находят друг на друга вдоль главной диагонали, и объясняется таинственное исчезновение 1 дм². Если ссылка на перекрытие частей покажется вам недостаточно убедительной, вы легко сможете проверить ее правильность, сравнив угол наклона диагонали прямоугольника и угол наклона соответствующих участков периметра четырех частей.

А что, если начертить на листе в клеточку прямоугольник и, разрезав его на части, составить из них квадрат? Это тоже интересная задача, и, возможно, вам захочется решить ее.

Длины отрезков, фигурирующих в этом парадоксе, равны 5, 8, 13 и 21 дм. Возможно, вы вспомните, что уже встречали эти числа как члены знаменитой последовательности. А может быть, вы вспомните и рекуррентное соотношение, которому удовлетворяют ее члены? Они называются числами Фибоначчи. Каждое из них равно сумме двух предыдущих: 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34…

Другие варианты того же парадокса основаны на использовании других четверок последовательных чисел Фибоначчи. Но о каком бы из вариантов ни шла речь, площадь прямоугольника неизменно отличается от площади квадрата: в одних случаях на 1 больше, в других — на 1 меньше. Далее вы обнаружите, что когда площадь прямоугольника на 1 меньше, то вдоль его главной диагонали части перекрываются, образуя едва заметный ромб площадью как раз в недостающую единицу, а когда площадь прямоугольника на 1 больше, то вдоль главной диагонали части не примыкают друг к другу вплотную, оставляя зазор в форме ромба площадью в лишнюю единицу.

Можно ли, зная, какие именно четыре последовательных числа Фибоначчи положены в основу варианта, предсказать, будет ли площадь прямоугольника больше или меньше площади квадрата? Оказывается, можно. Парадокс наглядно демонстрирует одно из фундаментальных свойств чисел Фибоначчи: квадрат любого числа Фибоначчи равен произведению двух соседних (предшествующего и последующего) чисел плюс или минус 1, то есть

F²_n = F_n-1F_n+1 ± 1

Левая часть этого равенства задает площадь квадрата со стороной F_n, а правая — уменьшенную или увеличенную на 1 площадь прямоугольника со сторонами F_n-1 и F_n+1. Знаки «плюс» и «минус» чередуются при переходе от одного числа Фибоначчи к следующему. Квадраты чисел Фибоначчи с нечетными номерами (например, 2, 5, 13) на 1 больше произведения двух соседних чисел с четными номерами. Квадраты чисел Фибоначчи с четными номерами (например, 3, 8, 21) на 1 меньше произведения двух соседних чисел с нечетными номерами. Зная, это, вы легко можете предсказать, будет ли прямоугольник, составленный из частей квадрата, больше или меньше квадрата.

Последовательность «настоящих» чисел Фибоначчи начинается с двух единиц, но последовательность «обобщенных» чисел Фибоначчи может начинаться с любых двух чисел. Вы можете рассмотреть варианты парадокса, основанные на обобщенных числах Фибоначчи. Например, последовательность 2, 4, 6, 10, 16, 26… порождает прямоугольники, площадь которых отличается то в одну, то в другую сторону от площади квадрата на 4. Последовательность 3, 4, 7, 11, 18… порождает прямоугольники, площадь которых отличается то в одну, то в другую сторону рт площади квадрата на 5.

Пусть a, b и с — любые три последовательных обобщенных числа Фибоначчи, а х — разность площадей прямоугольника и квадрата (избыток или недостаток). Тогда справедливы две формулы:

а + b = c

Ь² = ас ± х.

Подставив вместо х любой избыток или недостаток площади, а вместо Ь — любую длину стороны квадрата и решив систему двух выписанных выше уравнений, мы найдем соответствующие значения а и с (хотя они не обязательно получатся рациональными).

А нельзя ли разрезать квадрат на четыре части так, чтобы из них можно было составить прямоугольник, площадь которого была бы равна площади квадрата?

Чтобы ответить на этот вопрос, положим во втором из уравнений нашей системы х = 0 и выразим b через с. Единственное положительное решений (отрицательное мы отбрасываем, так как Ь — длина отрезка) имеет вид

Величина (1 + 5½)/2 — знаменитое золотое сечение, или φ. Это иррациональное число, равное 1,618033… Иначе говоря, числа φ

1, φ, φ², φ³, φ⁴…

образуют единственную последовательность Фибоначчи, обладающую тем свойством, что квадрат любого ее члена (начиная со второго) равен произведению двух соседних членов.

После некоторых преобразований можно показать, что последовательность Фибоначчи эквивалентна последовательности

1, φ, φ + 1, 2φ+1, Зф + 2… (*)

и ее члены обладают отличительным признаком чисел Фибоначчи: каждый из них (начиная с третьего) равен сумме двух предыдущих.

Только разрезая квадрат на части, длины которых совпадают с четверками последовательных чисел Фибоначчи из (*), мы получим вариант парадокса с равновеликими прямоугольником и квадратом. Более подробно о золотом сечении и о его связи с парадоксом о разрезании квадрата и превращении его в прямоугольник см. в главе 23 («Число φ — золотое сечение») моей книги «Математические головоломки и развлечения».[9]

_{Через несколько месяцев мистер Рэнди снова пришел к Омару. На этот раз он принес с собой ковер размером 12х12 дм².}

_{Оставив сомнения, Омар последовал инструкциям мистера Рэнди.}

_{Сшив части прежнего ковра, он получил ковер размером 12х12 дм². Дыра бесследно исчезла!}

Могут ли два одинаковых квадрата иметь различную площадь? Во втором парадоксе с коврами мистера Рэнди недостающая площадь имеет правдоподобное объяснение: это дырка, прожженная в ковре.

В отличие от предыдущего парадокса все части примыкают без зазоров, и ни одна часть не перекрывает другую. Куда же исчезает недостающий квадрат со стороной 1?

Чтобы ответить на этот вопрос, приготовим два экземпляра квадрата без дыры. Чем больше получатся квадраты, тем лучше. Один квадрат аккуратно разрежем на части по выкройке, составим из них квадрат с дырой и наложим на него второй квадрат.

Если верхний край и боковые стороны обоих квадратов совпадают, то вы легко заметите, что второй «квадрат» — вовсе не квадрат, а прямоугольник, который выше квадрата на 1/12 дм. Площадь полоски 12х(1/12) дм², выступающей за пределы квадрата, равна площади «бесследно» исчезнувшей дыры.

Итак, недостающий единичный квадрат найден!

Но отчего вытянулся в высоту «квадрат»? От того, что вершина, которая расположена на гипотенузе части, имеющей форму прямоугольника, не совпадает с узлом квадратной решетки, на которую разграфлена бумага. Зная это, вы сможете построить варианты этого парадокса, в которых избыток или недостаток площади больше 1.

Описанный парадокс известен под названием «квадрат Керри» (фокусника-любителя из Нью-Йорка, открывшего основной принцип подобных парадоксов) и существует во множестве вариантов, включающих не только квадраты, но и треугольники. Тем, кто захочет побольше узнать о квадратах и треугольниках, рекомендую обратиться к моим книгам «Математические чудеса и тайны»[10] и «Математические головоломки и развлечения».[11]

Самые забавные варианты этой разновидности парадоксов известны в виде картинок, на которых один из персонажей таинственным образом куда-то исчезает.

Парадоксы с исчезающими фигурками вот уже более ста лет используются в США для рекламы различных товаров. В конце прошлого века известный американский изобретатель головоломок Сэм Лойд придумал вариант парадокса, в котором фигурки китайских воинов располагались по кругу. При повороте диска один из воинов исчезал. С тех пор появилось множество вариантов парадоксов с фигурками, расположенными и вдоль прямой, и по кругу.

Подробно парадоксы такого рода рассмотрены в гл. 5 моей книги «Математические чудеса и тайны»[12].

Чтобы понять, в чем секрет таинственных исчезновений, начертим на листе бумаги десять линий:

Разрезав лист вдоль пунктирной линии, сдвинем нижнюю часть влево и вниз:

Сосчитаем линии. Их теперь только девять! Спрашивать, какая из десяти линий исчезла, бессмысленно: в действительности 10 исходных линий разрезаются на 18 отрезков, из которых составляются 9 новых линии. Каждая из этих линий на 1/9 длиннее каждой из исходных линий. Если нижнюю часть листа сдвинуть назад, то есть вправо и вверх, возникнут 10 исходных линий, каждая из которых на 1/10 короче любой из тех 9 линий, которые были перед вторым сдвигом.

Принцип, положенный в основу многочисленных вариантов парадоксов с исчезновением и появлением, линий и фигурок, давно известен фальшивомонетчикам. Разрезав 9 долларовых купюр на 18 частей вдоль определенных линий защитной сетки и переставив эти части, мошенники получают 10 купюр.

Подделку легко обнаружить, так как цифры номера на фальшивых купюрах оказываются сдвинутыми.

Дело в том, что во избежание подобной подделки номера на купюрах печатаются у противоположных обрезов на разной высоте — вверху и внизу. В 1968 г. в Лондоне за попытку подделать таким образом 5-фунтовую банкноту фальшивомонетчик был осужден на 8 лет тюремного заключения.

_{Хотите верьте, хотите не верьте, но парадоксы с исчезновением фигур имеют нечто общее с методом, которым некий нечистый на руку программист воспользовался, чтобы совершить хищение в одном крупном банке.}

Парадоксы с исчезновением фигур основаны на незаметном «похищении» небольших частей фигуры из разных мест. Так, если разрезать на части первый ковер мистера Рэнди и составить из них прямоугольник, то части будут находить друг на друга вдоль главной диагонали, образуя почти незаметный ромб.

Второй ковер мистера Рэнди, если разрезать его на части и составить из них новый ковер, чуть сокращается по высоте.

После того как компьютер переведет на счет вора 500 долларов, некоторые из клиентов банка получат на 1 пенни меньше процентов, чем им причиталось бы.

_{Топологию иногда называют геометрией на резиновой поверхности, так как она занимается изучением свойств, не изменяющихся при непрерывных деформациях (изгибании, растяжении или сжатии) фигур.}

_{Тор — замечательная поверхность, имеющая форму бублика. Должно быть, вы очень удивитесь, если вам скажут, что проделав в торе из тонкой резины дыру, можно вывернуть его наизнанку. Между тем это действительно возможно, хотя и весьма трудно.}

_{Предположим, что мы приклеили одну ленту вдоль параллели еще не вывернутого тора изнутри, а другую — вдоль меридиана снаружи. Обе ленты не сцеплены.}

_{Вот как выглядит тор после того, как его вывернули наизнанку. Однако что это? Ленты теперь сцеплены! Но два кольца невозможно сцепить, не разрезая и не склеивая хотя бы одно из них. Что-то здесь не так! Что именно?}

Тор действительно можно вывернуть наизнанку через проделанное в нем отверстие, но ленты от этого не станут сцепленными. При выворачивании тора наружная и внутренняя ленты меняются местами.

После того как тор вывернут наизнанку, малая лента (меридиан) растягивается в большую (параллель), а большая сжимается в малую. Ленты по-прежнему остаются несцепленными. Объясняется кажущийся парадокс неожиданно просто: художник нарисовал вывернутый тор так, как подсказывала ему интуиция, а не так, как тот выглядит на самом деле.

Резиновую модель тора, например велосипедную камеру, нелегко вывернуть наизнанку через дырочку, так как камеру при этом необходимо очень сильно растягивать. Гораздо легче вывернуть тор, сделанный из мягкой ткани. Сложите квадратный кусок ткани пополам и сшейте края так, чтобы получилась трубка.

Согните трубку в кольцо и сшейте противоположные концы так, чтобы получился тор. В разглаженном виде такой тор будет иметь форму квадрата (сложенного в 4 раза исходного квадрата). «Дыру» следует прорезать по горизонтали в верхнем слое ткани, тогда вывернуть тор будет особенно легко.

Итак, вывернем тор наизнанку через прорезь. Размеры его от этого не изменятся, но прорезь из горизонтальной превратится в вертикальную. Рисунок ткани, если таковой имеется, также повернется на 90°. Иначе говоря, при выворачивании параллели тора превратятся в меридианы, а меридианы — в параллели.

Чтобы своими глазами убедиться в этом, начертите одним цветом параллель, а другим — меридиан.

После выворачивания тора наизнанку обе окружности поменяются местами.

Наглядно представить себе все этапы деформации тора при выворачивании его наизнанку нелегко.

Рисунки, изображающие один за другим все этапы этой операции, приведены в статье Альберта Такера и Герберта Бей л и «Топология» в Scientific American за январь 1950 г.

С тором связано много других парадоксов. Пусть, например, тор с дырой сцеплен с тором без дыры.

Может ли один из торов «проглотить» другой так, чтобы тот оказался целиком внутри него? Оказывается, может. Подробности приведены в моей статье, опубликованной в мартовском номере журнала Scientific American за 1977 г. Другие парадоксы, связанные с торами, вы найдете в моих статьях, опубликованных в том же журнале в декабре 1972 г. (о заузленных торах) и в декабре 1979 г.

_{Венди решила купить себе кожаный браслет.}

_{В магазине ей понравились два браслета. Каждый из них был сделан из трех ремешков: один сплетен из ремешков, другой — гладкий.}

_{Хотя в это трудно поверить, Люк сплел браслет за полминуты, не разрезав ни одного ремешка! Вот как он начал.}

Самое удивительное в плетеном браслете, который так понравился Венди, — это то, что «косу» можно заплести даже в том случае, если концы «прядей» скреплены с двух сторон. Иначе говоря, плетеный браслет топологически эквивалентен гладкому. Последовательные этапы плетения браслета изображены ниже. Ремешки в таком браслете перекрещиваются 6 раз. Удлиняя их, можно заплетать косы с любым числом перекрещиваний, кратным 6. Если вы захотите сплести себе браслет или пояс, замочите предварительно кожу в теплой воде, чтобы она стала мягче.

Косы такого рода можно заплетать не только из трех, но и из большего числа прядей. Более подробно о таких косах рассказывается в статье А. Г. Шепперда «Косы, которые можно заплести из прядей, скрепленных с обоих концов»[13]. См. также главу «Теория групп и косы» в моей книге «Математические головоломки и развлечения»[14]

Большинство людей видят в таком браслете лишь еще один топологический курьез. В действительности же речь идет о вещах несравненно более важных и интересных. Математик Эмиль Артин построил даже теорию кос, воспользовавшись для этого аппаратом теории групп.

Элементом группы является схема переплетения прядей, операция состоит в последовательном плетении двух схем, а элементом обратным данной схеме, — зеркально-симметричная схема. Косы служат великолепным введением в теорию групп и преобразований.

(Элементарное введение в теорию кос можно найти в статье Артина «Теория кос»[15].)

_{Пат поднимался по узкой тропинке, ведущей к вершине горы. Он отправился в путь в 7 00 утра и в тот же день достиг вершины в 7.00 вечера.}

_{Переночевав на вершине, Пат на следующее утро в 7.00 пустился в обратный путь по той же тропинке.}

_{В тот же день в 7.00 вечера Пат спустился в долину, где встретил своего преподавателя топологии миссис Клейн.}

_{Но миссис Клейн оказалась права.}

Поскольку Пат затратил на подъем и спуск одна и то же время, каждой точке маршрута мы можем сопоставить 2 числа, показывающие, когда Пат миновал ее по пути на вершину и при спуске. Между этими числами существует взаимно-однозначное соответствие, и по крайней мере два числа совпадают. Историю о Пате можно рассматривать как очень простой пример того, что топологи называют теоремой о неподвижной точке. Она принадлежит к числу так называемых чистых теорем существования, то есть лишь утверждает, что по крайней мере одна неподвижная точка существует, умалчивая о том, каким образом эту точку можно найти. Теоремы о неподвижной точке играют важную роль в приложениях топологии к другим областям математики и к естественным наукам.

Суть знаменитой теоремы о неподвижной точке можно продемонстрировать, взяв пустую коробку и лист бумаги, точно покрывающий ее дно. Пусть каждой точке на листе бумаги соответствует та точка на дне коробки, которая под ней находится. Вынув затем лист из коробки и скатав его в шарик, бросим его обратно в коробку. Топологи доказали, что независимо от того, как именно смят лист бумаги и в какое место на дне коробки попал скатанный из него бумажный шарик, по крайней мере одна точка на листе непременно окажется над соответствующей ей точкой на дне коробки! (См. раздел «Теорема о неподвижной точке» в главе 5 («Топология») книги Р. Куранта, Г. Роббинса «Что такое математика?»[16])

Теорема о неподвижной точке, впервые доказанная голландским математиком Брауэром в 1912 г., имеет много необычных приложений. Например, она позволяет утверждать, что в любой момент времени на земном шаре существует такое место, где скорость ветра равна нулю. Другое, не менее удивительное следствие из той же теоремы: на земном шаре всегда существуют по крайней мере две точки-антипода (лежащие на противоположных концах одного диаметра Земли), в которых температура и барометрическое давление совпадают. Аналогичная теорема позволяет доказать, что шар, поросший волосами, невозможно причесать гладко: по крайней мере один волос всегда останется торчать. (В отличие от шара волосатый тор можно причесать гладко.) Хорошим введением в теоремы такого рода может служить статья Марвина Шинброта «Теоремы о неподвижной точке» (Scientific American, январь 1966).

_{Еще больше, чем точка, проходимая при подъеме и спуске в одно и то же время, Пата удивила эта лестница. По ней можно идти нескончаемо долго только вверх (или только вниз) и при этом возвращаться на исходное место.}

_{Сколько зубцов на этом грозном оружии: два или три?}

_{Не могли бы вы сбить из дощечек эту «сумасшедшую» клеть?}

Лестница, х-зубец (х = 2 или х = 3) и клеть принадлежат к числу так называемых «невозможных объектов», или «неразрешимых фигур». Невозможную лестницу придумали английский генетик Лайонел С. Пенроуз и его сын математик Роджер Пенроуз, который впервые опубликовал ее в 1958 г. Ее нередко называют лестницей Пенроуза. Она поразила воображение голландского художника М. К. Эшера, который использовал ее в одной из своих литографий «Подъем и спуск».

Автор х-зубца с двумя или тремя зубьями неизвестен. Этот невозможный объект встречается примерно с 1964 г. На обложке мартовского номера журнала Mad за 1965 г. изображен Альфред Э. Нейман, балансирующий таким х-зубцом на указательном пальце.

Автор сумасшедшей клети также неизвестен.

Она изображена на рисунке Мориса Эшера «Бельведер». И невозможная лестница, и невозможный предмет с двумя или тремя зубьями, и сумасшедшая клеть показывают, как легко мы «попадаемся на удочку», считая изображенный на рисунке объект подлинным, хотя в действительности он логически противоречив и, следовательно, не может существовать. Невозможные объекты — своего рода визуальные аналоги таких неразрешимых утверждений, как «Это утверждение ложно», о которых говорилось в главе 1.

Другие примеры невозможных объектов приведены в главе, посвященной оптическим иллюзиям, моей книги «Математический цирк» и в книгах японского художника-графика Митсумасы Анно «Алфавит Анно» и «Неповторимый мир Анно».

_{Эта извилистая ломаная, напоминающая по форме контур снежинки, не принадлежит к числу невозможных объектов, хотя и парадоксальна. Ее построение мы начнем с контура этой новогодней елки — равностороннего треугольника.}

_{Разделив каждую сторону на 3 равные части, построим на каждой средней части равносторонний треугольник, лежащий снаружи от большого треугольника.}

_{С каждым из меньших треугольников проделаем ту же операцию: разделим их. стороны на 3 равные части и на средних частях построим равносторонние треугольники.}

_{Длина ломаной при этом еще больше возрастет, а сама ломаная станет похожа на шестиугольную снежинку.}

_{С каждым разом ломаная будет становиться все длиннее и красивее.}

_{Продолжая построение, мы можем сделать ломаную сколь угодно длинной. Она может умещаться на почтовой марке и все же быть длиннее, чем расстояние от Земли до самой далекой звезды!}

Кривая-снежинка — один из красивейших представителей бесконечного множества кривых, названных патологическими из-за своих парадоксальных свойств. При неограниченном увеличении числа звеньев длина ломаных в пределе стремится к бесконечности, хотя площадь заключенного внутри ломаных участка плоскости остается конечной. Иначе говоря, если после очередного увеличения числа звеньев ломаной мы станем измерять ее длину и площадь ограничиваемого ею многоугольника, то последовательность длин окажется расходящейся, а последовательность площадей — сходящейся к пределу, равному 8/5 от площади исходного равностороннего треугольника. К предельной кривой ни в одной точке невозможно провести касательную.

Кривая-снежинка — великолепный повод для того, чтобы освежить в вашей памяти все связанное с понятием предела. Можете ли вы доказать, что если площадь исходного равностороннего треугольника принять за единицу, то площадь части плоскости, заключенной внутри предельной кривой, равна 8/5?

Вот несколько задач на построение, тесно связанных с кривой-снежинкой.

1. Постройте кривую-антиснежинку: вычерчивая равносторонние треугольники, пристраивайте их не снаружи, а изнутри, после чего стирайте их основания. На первом этапе вы получите 3 ромба, соединенные в центре наподобие пропеллера. Имеет ли возникающая в пределе кривая-антиснежинка бесконечную длину? Конечна ли площадь ограничиваемой ею части плоскости?

2. Что произойдет, если за исходную фигуру принять не равносторонний треугольник, а какой-нибудь другой правильный многоугольник?

3. Что произойдет, если на каждой стороне строить по нескольку многоугольников?

4. Существуют ли трехмерные аналоги кривой снежинки и ее ближайших сородичей? Например, если на гранях тетраэдров строить тетраэдры, будет ли предельное тело иметь поверхность бесконечной площади? Будет ли его объем конечным?

В статье о патологических кривых, опубликованной в декабрьском номере журнала Scientific American за 1976 г., я рассказал о парадоксальной кривой, открытой Уильямом Госпером и названной «кривой дракона». Другая замечательная кривая, открытая Бенуа Мандельбротом, украшает обложку апрельского номера того же журнала за 1978 г. Ей посвящена моя статья, опубликованная в этом номере журнала.

О других патологических кривых, тесно связанных с кривой-снежинкой, рассказывается и в книге Мандельброта «Фрактальная геометрия природы».

_{Если космический корабль полетит все время прямо, никуда не сворачивая, то будет ли он все более удаляться от Земли?}

_{«Не обязательно, — решил Эйнштейн. — Корабль может вернуться, даже если он все время будет лететь прямо».}

_{Чтобы понять парадокс Эйнштейна, начнем с несчастного пойнтландца. Вся его вселенная — это одна-единственная точка, имеющая нуль измерений.}

_{Обитающий на одномерной линии лайнландец подобен червяку, ползущему по канату: если канат бесконечен, то он может путешествовать сколь угодно далеко как в одну, так и в другую сторону.}

_{Но если канат замкнут наподобие окружности, то вселенная нашего лайнландца неограниченна, хотя и имеет конечную длину.}

_{В какую бы сторону ни полз червяк, он непременно вернется в исходную точку.}

_{Флатландец обитает на двумерной поверхности. Если его вселенная — бесконечная плоскость, то он может путешествовать на любые расстояния в любом направлении.}

_{Но если поверхность, на которой он обитает, замкнута наподобие сферы, то она также неограниченна и конечна. В какую бы сторону ни отправился флатландец, двигаясь все время прямо и никуда не сворачивая, он непременно вернется туда, откуда начал свой путь.}

_{Мы с вами «солидландцы», обитающие в трехмерном мире. Возможно, наш мир простирается бесконечно далеко в каждом из направлений.}

_{Но, может быть, наша Вселенная изогнута в пространстве большего числа измерений и потому неограниченна и конечна? В такой Вселенной, как и полагал Эйнштейн, космический корабль, все время летящий прямо, мог бы вернуться к месту старта.}

_{Когда флатландец совершает кругосветное путешествие по сфере, он как бы движется по полоске, склеенной в кольцо без перекручивания.}

_{Но если флатландец путешествует по листу Мёбиуса, то происходит нечто странное. Полоборота, на которые перекручено полотно листа, как бы переворачивают флатландца на другую сторону: вернувшись в исходную точку, он обнаруживает у себя сердце не слева, а справа!}

_{Если наше пространство перекручено наподобие листа Мёбиуса, то вернувшийся на Землю астронавт может оказаться собственным зеркальным отражением.}

Астрономы пока не пришли к единому мнению относительно того, замкнута ли наша Вселенная, как полагал Эйнштейн, или открыта. Ответ на этот вопрос зависит от того, какова масса Вселенной. Согласно общей теории относительности, масса приводит к искривлению пространства — чем больше масса, тем больше кривизна пространства. Большинство специалистов по современной космологии считают, что массы Вселенной недостаточно для столь сильного искривления пространства, которое привело бы к его замыканию. Но вопрос пока остается открытым, поскольку ни природа Вещества, ни распределение его плотности во Вселенной не известны. Не исключено, что во Вселенной имеется «скрытая масса», вполне достаточная для замыкания пространства. (Например, подозревают, что нейтрино обладают положительной массой покоя, в то время как раньше их масса покоя считалась равной нулю.)

Не существует никаких данных, позволяющих утверждать о том, будто наше пространство перекручено, как лист Мёбиуса. Тем не менее ученые, занимающиеся космологией, охотно рассматривают различные модели пространства, в том числе и модели с кручением. Для того чтобы понять, каким образом флатландец, совершив кругосветное путешествие по листу Мёбиуса, переходит в свое зеркальное отражение, важно не упускать из виду одно существенное обстоятельство: нулевую толщину листа Мёбиуса. Любая бумажная модель листа Мёбиуса в действительности представляет собой объемное тело, так как бумага имеет конечную толщину.

Мы же должны исходить из предположения о том, что идеальный лист Мёбиуса имеет нулевую толщину.

Плоская фигура, начерченная на идеальном листе Мёбиуса, напоминает фигуру, начерченную чернилами, которые проходят сквозь бумагу, делая контур видимым с двух сторон: она начерчена одновременно с двух «сторон» листа, а не только с одной «стороны», как бы погружена в его поверхность нулевой толщины.

Вернувшись в исходное положение после обхода листа Мёбиуса, такая фигура переходит в свое зеркальное отражение. Разумеется, при повторном обходе она вновь принимает свой первоначальный вид. Аналогичным образом астронавт, вернувшись из кругосветного путешествия в пространстве с кручением, оказался бы зеркальным двойником самого себя и, лишь совершив повторное кругосветное путешествие, смог бы «прийти в себя».

Если вас заинтересовали парадоксальные свойства листа Мёбиуса, то вам, возможно, покажутся интересными две другие не менее парадоксальные поверхности — бутылка Клейна и проективная плоскость — и вы захотите изучить их подробнее. Обе поверхности односторонние, но в отличие от листа Мёбиуса не имеют краев. Бутылка Клейна тесно связана с листом Мёбиуса, так как, разрезав ее пополам, мы можем получить два зеркально-симметричных листа Мёбиуса. Флатландец, обитающий на поверхности бутылки Клейна или на проективной плоскости, совершив кругосветное путешествие, переходит в свое зеркальное отражение (см. главу 2 моей «Шестой книги математических игр» из журнала Scientific American)[17]. Классической книгой о жизни в двумерном пространстве по праву считается «Флатландия» Эдвина Э. Эббота. Ее продолжение — «Сферландию»— написал Дионис Бюргер[18].

Возможно, вам понравится фантастический рассказ Г. Уэллса «История Платтнера» — о человеке, побывавшем в четвертом измерении и вернувшемся на Землю своим зеркальным двойником — с сердцем, расположенным справа.

_{Превратившись в своего зеркального двойника, астронавт чувствовал бы себя вполне нормально, но все вокруг казалось бы ему как бы отраженным в зеркале: надписи были бы выполнены зеркальным шрифтом, движение автомашин из правостороннего превратилось бы в левостороннее.}

_{Многие физики считают, что зеркальное отражение вещества было бы антивеществом, которое аннигилировало бы при соприкосновении с обычным веществом. Если это действительно так, то наш астронавт не смог бы вернуться на Землю: как только его корабль вошел бы в верхние слои атмосферы, раздался бы взрыв!}

_{Могут ли в нашей Вселенной существовать галактики из антивещества? Может быть, огромные вселенные, состоящие из антивещества, лежат за пределами нашей Вселенной? Современная космология пока не знает ответов на эти вопросы.}

У каждой элементарной частицы есть античастица.

Она почти неотличима от частицы, за исключением того, что ее электрический заряд (если таковой имеется) и некоторые другие свойства имеют противоположный знак. Многие физики считают, что античастица наделена структурой, зеркально-симметричной структуре частицы. Вещество, состоящее из античастиц, называется антивеществом.

При столкновении частицы с античастицей происходит аннигиляция. Наша Галактика состоит целиком из вещества, поэтому если где-нибудь — в лаборатории или в недрах звезд — рождается античастица, то она существует лишь какую-нибудь микросекунду, после чего аннигилирует при столкновении с частицей.

Большинство специалистов по космологии считают, что Вселенная состоит только из вещества, но некоторые полагают, что отдельные галактики могут состоять из антивещества. Распознать такие галактики трудно, так как свет, идущий от них, был бы неотличим от света, испускаемого обычными галактиками. Высказывалась также гипотеза, что после Большого взрыва, которым, по-видимому, ознаменовалось рождение нашей Вселенной, вещество и антивещество разделились, образовав две Вселенные: «космон» и «антикосмон», которые, отталкиваясь, разлетелись с огромной скоростью.

Представление о Вселенной, разделенной на две зеркально-симметричные части, лежит в основе многих научно: фантастических романов, По поводу антивещества и аналогичных проблем см. брошюру Янга Ч. «Элементарные частицы»[19]; мою книгу «Этот правый, левый мир»[20] и книгу известного шведского физика и астрофизика Ханнеса Альфвена «Миры — антимиры»[21].