168. Прямая линия, следовательно, не есть кратчайшее расстояние, а есть просто расстояние между двумя точками — до сих пор этот вывод оставался твердым. Но предположим, у нас есть две или более кривых, проходящих через две точки, и что все эти кривые конгруэнтны inter se. Мы тогда сказали бы, в соответствии с определением пространственного равенства, что длины всех этих кривых равны. Теперь могло бы случиться, что, хотя ни одна из кривых не была однозначно определена двумя конечными точками, общая длина всех кривых была таковой. В этом случае, что помешало бы нам назвать эту общую длину расстоянием, хотя никакая уникальная фигура в пространстве ей не соответствовала? Это случай, рассматриваемый сферической геометрией, где, как на сфере, антиподы могут быть соединены бесконечным числом геодезических, каждая из которых имеет равную длину. Предполагаемая трудность, следовательно, не является чисто воображаемой, а является той, с которой современная геометрия заставляет нас столкнуться. Я, следовательно, обсужу ее довольно подробно.
169. Прежде всего, я должен указать, что моя аксиома не совсем эквивалентна аксиоме Евклида. Аксиома Евклида гласит, что две прямые линии не могут заключать пространство, т. е. не могут иметь более одной общей точки. Теперь, если каждые две точки без исключения определяют уникальную прямую линию, из этого, конечно, следует, что две разные прямые линии могут иметь только одну общую точку — до сих пор две аксиомы эквивалентны. Но может случиться, как в сферическом пространстве, что две точки в общем случае определяют уникальную прямую линию, но не делают этого, когда они находятся друг к другу в особом отношении антиподов. В такой системе каждая пара прямых линий в одной плоскости встречается в двух точках, которые являются антиподами друг друга; но две точки в общем случае все еще определяют уникальную прямую линию. Мы все еще способны, следовательно, получать расстояния из уникальных прямых линий, за исключением предельных случаев; и в таких случаях мы можем взять любую точку, промежуточную между двумя антиподами, соединить ее той же прямой линией с обоими антиподами и измерить ее расстояние от этих антиподов обычным способом. Сумма этих расстояний тогда дает уникальное значение для расстояния между антиподами.
Таким образом, даже в сферическом пространстве нам очень помогает аксиома прямой линии; все линейное измерение осуществляется ею, и исключительные случаи могут быть обработаны с ее помощью обычными методами для пределов. Сферическое пространство, следовательно, не так враждебно, как оно поначалу казалось, априорной необходимости этой аксиомы. Тем не менее мы до сих пор не атаковали ядро возражения, которое предполагало сферическое пространство. К этой атаке мы теперь обязаны приступить.
170. Напомним, что в нашем априорном доказательстве того, что две точки должны иметь одно определенное отношение, мы считали невозможным для этих двух точек иметь по отношению к остальному пространству какое-либо отношение, которое не изменялось бы при движении. Теперь в сферическом пространстве, в частном случае, когда две точки являются антиподами, они имеют отношение к остальному пространству, не изменяющееся при движении, — а именно отношение, состоящее в том, что их расстояние равно половине окружности вселенной. В нашей прежней дискуссии мы предполагали, что любое отношение к внешнему пространству должно быть отношением положения, а отношение положения должно изменяться при движении. Но с конечным пространством, в котором мы имеем абсолютную величину, становится возможным другое отношение, а именно отношение величины. Антиподальные точки, соответственно, подобно совпадающим точкам, больше не определяют уникальную прямую линию. И поучительно заметить, что в результате этого возникает двусмысленность в выражении для расстояния, подобная обычной двусмысленности в угловом измерении. Если 1/k^2 — пространственная константа, а d — одно значение расстояния между двумя точками, то 2πkn ± d, где n — любое целое число, является столь же хорошим значением. Расстояние, короче говоря, есть периодическая функция, подобная углу. Таким образом, такое положение дел скорее подтверждает, чем разрушает мое утверждение, что расстояние зависит от кривой, однозначно определяемой двумя точками. Ибо как только мы отказываемся от этого уникального определения, мы видим, как двусмысленности проникают в наше выражение для расстояния. Расстояние все еще имеет набор дискретных значений, соответствующих тому факту, что при заданной одной точке прямая линия однозначно определена для всех других точек, кроме одной — антиподальной точки. Заманчиво пойти дальше и сказать: если бы через каждую пару точек проходило бесконечное число кривых, используемых при измерении расстояния, расстояние могло бы для той же пары точек принимать не только дискретный ряд, но и бесконечный непрерывный ряд значений.
171. Это, однако, лишь спекуляция. Я перехожу теперь к pièce de résistance моей аргументации. Двусмысленность в сферическом пространстве возникла, как мы видели, из отношения величины к остальному пространству — такое отношение не изменяется при движении двух точек и, следовательно, выпадает из нашей вводной аргументации. Но что это за отношение величины? Просто отношение расстояния между двумя точками к расстоянию, заданному в природе рассматриваемого пространства. Из этого следует, что такое отношение предполагает меру расстояния и, следовательно, не должно рассматриваться в любой аргументации, которая имеет дело с априорными требованиями для возможности определенных расстояний.
172. Я теперь показал, надеюсь, убедительно, что сферическое пространство не дает возражений против априорности моей аксиомы. Любые две точки имеют одно отношение, их расстояние, которое независимо от остального пространства, и это отношение требует в качестве своей меры кривую, однозначно определяемую этими двумя точками. Я мог бы взять быка за рога и сказать: две точки не могут иметь никакого отношения, кроме того, которое задается линиями, соединяющими их, и поэтому, если они имеют отношение, независимое от остального пространства, должна существовать одна линия, соединяющая их, которую они полностью определяют. Так, Джеймс говорит:
«Точно так же, как в области количества отношение между двумя числами есть другое число, так и в области пространства отношения суть факты того же порядка, что и факты, которые они связывают... Когда мы говорим об отношении направления двух точек друг к другу, мы имеем в виду просто ощущение линии, которая соединяет две точки вместе. Линия есть отношение... Отношение положения между верхней и нижней точками вертикальной линии есть эта линия, и ничего больше».
Если бы я был готов использовать эту доктрину в начале, я мог бы избежать всякой дискуссии. Уникальное отношение между двумя точками должно в этом случае включать уникальную линию между ними. Но казалось лучше избежать доктрины, не принятой повсеместно, тем более что я подходил к вопросу с логической, а не с психологической стороны. Однако после устранения возражений интересно найти это подтверждение вышеупомянутой теории с такой иной точки зрения. Действительно, я верю, что доктрина Джеймса могла бы быть доказана как логическая необходимость, а также как психологический факт. Ибо что за вещь может быть пространственным отношением между двумя различными точками? Это должно быть нечто пространственное, и это должно, поскольку точки целиком состоят из своих отношений, быть нечто по крайней мере столь же реальное и осязаемое, как точки, которые оно связывает. По-видимому, нет ничего, что могло бы удовлетворить этим требованиям, кроме линии, соединяющей их. Следовательно, еще раз, уникальное отношение должно включать уникальную линию. То есть линейная величина логически невозможна, если пространство не допускает кривых, однозначно определяемых любыми двумя своими точками.
173. (3) Но далее, существование кривых, однозначно определяемых двумя точками, может быть выведено из природы любой формы внешности. Ибо мы видели при обсуждении свободной подвижности, что эта аксиома вместе с однородностью и относительностью положения может быть так выведена, и мы видели в начале нашего обсуждения расстояния, что существование уникального отношения между двумя точками может быть выведено из однородности пространства. Поскольку положение относительно, мы можем сказать, любые две точки должны иметь некоторое отношение друг к другу: поскольку наша форма внешности однородна, это отношение может сохраняться неизменным, пока две точки движутся в форме, т. е. изменяют свои отношения к другим точкам; следовательно, их отношение друг к другу есть внутреннее отношение, независимое от их отношений к другим точкам. Но поскольку наша форма есть лишь комплекс отношений, отношение внешности должно проявляться в форме с той же очевидностью, что и все остальное в форме; таким образом, если форма интуитивна или сенсорна, отношение должно быть непосредственно представлено, а не быть лишь выводом. Следовательно, внутреннее отношение между двумя точками должно быть уникальной фигурой в нашей форме, т. е. в пространственных терминах, прямой линией, соединяющей две точки.
174. (4) Наконец, мы должны доказать, что существование такой кривой необходимо приводит, когда количество применяется к отношению между двумя точками, к уникальной величине, которую эти две точки полностью определяют. С этим мы вернемся к расстоянию, с которого начали, и завершим круг нашей аргументации.
Мы видели в разделе А § 119, что фигура, образованная двумя точками, проективно неотличима от фигуры, образованной любыми двумя другими точками на той же прямой линии; фигура в обоих случаях есть, с проективной точки зрения, просто прямая линия, на которой лежат две точки. Различие отношения в двух случаях не является качественным, поскольку проективная геометрия не может иметь с ним дело; тем не менее, существует некоторое различие отношения. Например, если одну точку держать неподвижной, а другая движется, очевидно, происходит некоторое изменение отношения. Это изменение, поскольку все части прямой линии качественно одинаковы, должно быть изменением количества. Если две точки, следовательно, определяют уникальную фигуру, должно существовать для различия между различными другими точками этой фигуры уникальное количественное отношение между двумя определяющими точками, и поэтому, поскольку эти точки произвольны, между только двумя точками. Это отношение есть расстояние, с которого наша аргументация началась и к которому она, по крайней мере, возвращается.
175. Подытожим: если точки определяются просто отношениями к другим точкам, т. е. если всякое положение относительно, каждая точка должна иметь к каждой другой точке одно и только одно отношение, независимое от остального пространства. Это отношение есть расстояние между двумя точками. Теперь отношение между двумя точками может быть определено только линией, соединяющей их, — более того, можно утверждать, что отношение может быть только линией, соединяющей их. Следовательно, уникальное отношение включает уникальную линию, т. е. линию, определяемую любыми двумя своими точками. Только в пространстве, которое допускает такую линию, линейная величина является логически возможным понятием. Но как только мы установили возможность в общем случае проведения таких линий и, следовательно, измерения линейных величин, мы можем обнаружить, что определенная величина имеет особое отношение к строению пространства. Прямая линия может оказаться конечной длины, и в этом случае ее длина даст определенную особую величину — пространственную константу. Две антиподальные точки, то есть точки, которые делят пополам всю прямую линию, будут тогда иметь отношение величины, которое, хотя и не изменяется при движении, становится особенным из-за определенного постоянного отношения к остальному пространству. Эта особенность предполагает меру линейной величины в общем случае и не может, следовательно, опровергнуть априорность аксиомы прямой линии. Но она разрушает для точек, имеющих особое антиподальное отношение друг к другу, аргумент, который доказывал, что отношение между двумя точками не может, поскольку оно не изменялось при движении, иметь отношение к остальному пространству. Таким образом, понятно, что для таких особых точек аксиома нарушается и между ними возможно бесконечное число прямых линий; но если бы мы не начали с предположения об общей справедливости аксиомы, мы никогда не смогли бы достичь положения, в котором антиподальные точки могли бы быть известны как особенные, или, действительно, положения, которое позволило бы нам дать какое-либо количественное определение вообще конкретных точек.
Расстояние и прямая линия как отношения, однозначно определяемые двумя точками, являются, таким образом, априорно необходимыми для метрической геометрии. Но далее, они суть свойства, которые должны принадлежать любой форме внешности. Поскольку их необходимость для геометрии была выведена из однородности и относительности положения, а поскольку они являются необходимыми свойствами любой формы внешности, та же аргументация доказывает оба вывода. Мы таким образом получаем, как и в случае свободной подвижности, двойную априорность: аксиома расстояния и ее следствие, аксиома прямой линии, с одной стороны, предполагаются в возможности пространственной величины и не могут, следовательно, быть опровергнуты никаким опытом, вытекающим из измерения пространства; в то время как они являются следствиями, с другой стороны, необходимых свойств любой формы внешности, которая должна сделать возможным опыт внешнего мира.
176. В связи с прямой линией будет удобно обсудить условия метрической системы координат. Проективная система координат, как мы видели, стремится лишь к удобной номенклатуре для различных точек и может быть установлена без введения понятия пространственного количества. Но метрическая система координат делает гораздо больше. Она определяет каждую точку количественно, посредством ее количественных пространственных отношений к некоторой координатной фигуре. Только когда система координат является таким образом метрической, т. е. когда каждая координата представляет некоторую пространственную величину, которая сама по себе есть отношение определяемой точки к некоторой другой точке или фигуре, операции с координатами могут привести к метрическому результату. Когда, как в проективной геометрии, координаты не являются пространственными величинами, никакое преобразование не может дать метрического результата. Я хочу доказать здесь, что метрическая система координат необходимо включает прямую линию и не может без логической ошибки быть установлена на какой-либо другой основе. Проективная система координат, как мы видели, целиком основана на прямой линии; но метрическая система важнее, поскольку ее величины воплощают реальную информацию о пространственных величинах, чего в проективной геометрии нет.
Во-первых, метрические координаты точки составляют ее полное количественное определение; теперь точка может быть определена, как мы видели, только своими отношениями к другим точкам, и эти отношения могут быть определены только с помощью прямой линии. Следовательно, любая метрическая система координат должна включать прямую линию как основу своих определений точек.
Этот априорный аргумент, однако, хотя я верю, что он вполне обоснован, вряд ли убедит кого-либо, убежденного в обратном. Давайте, следовательно, рассмотрим метрические системы координат в деталях и покажем в каждом случае их зависимость от прямой линии.
Мы уже видели, что понятие расстояния невозможно без прямой линии. Мы не можем, следовательно, определить наши координаты ни одним из обычных способов, как расстояния от трех плоскостей, линий, точек, сфер или чего бы то ни было еще. Полярные координаты невозможны, поскольку — отвлекаясь от прямолинейности радиус-вектора — длина радиус-вектора становится бессмысленной. Треугольные координаты включают не только углы, которые должны в пределе быть прямолинейными, но и прямые линии или, во всяком случае, некоторые хорошо определенные кривые. Теперь кривые могут быть метрически определены только двумя способами: либо отношением к прямой линии, как, например, кривизной в любой точке, либо чисто аналитическими уравнениями, которые предполагают понятную систему метрических координат. Какие методы остаются для присвоения этих произвольных значений различным точкам? Более того, как нам получить какую-либо оценку разности — чтобы избежать более специального понятия расстояния — между двумя точками? Само понятие точки стало иллюзорным. Когда у нас есть система координат, мы можем определить точку тремя ее координатами; в отсутствие такой системы мы можем определить понятие точки в общем случае как пересечение трех поверхностей или двух кривых. Здесь мы берем поверхности и кривые как понятия, которые интуиция делает ясными, но если мы хотим, чтобы они дали нам точное числовое определение конкретных точек, мы должны уточнить вид используемой поверхности или кривой. Теперь это, как мы видели, возможно только тогда, когда мы предполагаем заранее либо прямую линию, либо систему координат. Из этого следует, что каждая система координат предполагает прямую линию и логически невозможна без нее.
177. Вышеупомянутые три аксиомы, как мы видели, априорно необходимы для метрической геометрии. Никакие другие не могут быть необходимыми, поскольку метрические системы, логически столь же неуязвимые, как евклидова, и имеющие дело с пространствами столь же однородными и столь же реляционными, были построены метагеометрами без помощи каких-либо других аксиом. Остальные аксиомы евклидовой геометрии — аксиома параллельных, аксиома о том, что число измерений равно трем, и евклидова форма аксиомы прямой линии (две прямые линии не могут заключать пространство) — не являются существенными для возможности метрической геометрии, т. е. не выводимы из того факта, что наука о пространственных величинах возможна. Их скорее следует рассматривать как эмпирические законы, полученные, подобно эмпирическим законам других наук, путем фактического исследования данного предмета — в данном случае, воспринимаемого пространства.