Fig. 4 (132).
Очевидно, у нас будет просто квадрат, который находится в плоскости xz, квадрат ACDB. Остальная часть куба простирается в направлении y, и, поскольку у нас нет пространства, так определенного, у нас есть только грань куба. Это представлено на рис. 4.
Теперь предположим, что весь куб поворачивается из направления x в направление w. Сообразно с нашим методом, мы не будем принимать во внимание весь куб сразу, а начнем с грани ABCD.
Fig. 5 (133).
Пусть эта грань начнет поворачиваться. Рис. 5 представляет одно из положений, которое она займет; линия AB остается на оси z. Остальная часть грани простирается между направлением x и w.
Теперь, поскольку мы можем взять любые три оси, давайте посмотрим на то, что лежит в пространстве zyw, и исследуем поворот там. Мы должны теперь позволить оси z исчезнуть и позволить оси w проходить в направлении, в котором шла z.
Fig. 6 (134).
Делая это представление, что мы видим от куба? Очевидно, мы видим только нижнюю грань. Остальная часть куба лежит в пространстве xyz. В пространстве xyz у нас просто основание куба, лежащее в плоскости xy, как показано на рис. 6.
Теперь пусть произойдет поворот x в w. Квадрат ACEG повернется вокруг линии AE. Это ребро останется вдоль оси y и будет неподвижным, как бы далеко ни поворачивался квадрат.
Fig. 7 (135).
Таким образом, если куб поворачивается поворотом x в w, оба ребра AB и AC остаются неподвижными; следовательно, вся грань ABEF в плоскости yz остается фиксированной. Поворот произошел вокруг грани ABEF.
Предположим, что этот поворот продолжается, пока AC не пойдет влево от A. Куб займет положение, показанное на рис. 8. Это зеркальное изображение куба на рис. 3. Никаким вращением в трехмерном пространстве куб нельзя привести из положения на рис. 3 к тому, что показано на рис. 8.
Fig. 8 (136).
Мы можем думать об этом повороте как о повороте грани ABCD вокруг AB и повороте каждого сечения, параллельного ABCD, вокруг вертикальной линии, в которой оно пересекает грань ABEF, причем пространство, в котором происходит поворот, является другим, нежели то, в котором лежит куб.
Одним из условий, таким образом, нашего исследования в направлении бесконечно малого является то, что мы формируем концепцию вращения вокруг плоскости. Создание тела в состоянии, в котором оно представляет появление зеркального изображения своего прежнего состояния, является критерием для четырехмерного вращения.
Существует некоторое свидетельство возникновения таких трансформаций тел в изменении тел от тех, которые производят правостороннюю поляризацию света, к тем, которые производят левостороннюю поляризацию; но это не тот пункт, которому можно придать очень большое значение.
Тем не менее, в этой связи позвольте мне процитировать замечание из обращения проф. Джона Г. Маккендрика по физиологии перед Британской ассоциацией в Глазго. Обсуждая возможность наследственного производства характеристик через материальную структуру яйцеклетки, он оценивает, что в ней существует 12 000 000 000 биофоров, или предельных частиц живой материи, достаточное число, чтобы объяснить наследственную передачу, и замечает: «Таким образом, мыслимо, что жизненные активности могут также определяться видом движения, которое происходит в молекулах того, о чем мы говорим как о живой материи. Оно может быть иным по виду, чем некоторые из движений, известных физикам, и мыслимо, что жизнь может быть передачей мертвой материи, молекулы которой уже имеют особый вид движения, формы движения sui generis».
В мире органических существ симметричные структуры — те, что обладают право-левой симметрией, — встречаются повсеместно. Если допустить существование четырех измерений, то простейший поворот дает зеркальную форму, а путем складывания можно получить структуры, дублированные справа и слева, точно так же, как это происходит с симметрией на плоскости.
Таким образом, одну весьма общую характеристику форм организмов можно объяснить предположением, что в жизненном процессе задействовано четырехмерное движение.
Но соответствуют ли четырехмерные движения в других отношениях требованию физиологов к особому виду движения, я не знаю. Наша задача — рассмотреть доказательства их существования в физике. Для этой цели необходимо исследовать значение вращения вокруг плоскости в случае растяжимой и жидкой материи.
Остановимся еще немного на вращении твердого тела. Глядя на куб на рис. 3, который вращается вокруг грани ABFE, мы видим, что любая линия на этой грани может занять место вертикальных и горизонтальных линий, которые мы рассматривали. Возьмем диагональную линию AF и сечение через нее до GH. Те части материи, которые в этом сечении на рис. 3 находились по одну сторону от AF, на рис. 8 находятся по другую сторону от нее. Они совершили оборот вокруг линии AF. Таким образом, вращение вокруг грани можно рассматривать как ряд вращений сечений вокруг параллельных линий, лежащих на ней.
Вращение вокруг двух различных линий в трехмерном пространстве невозможно. Возьмем другую иллюстрацию: предположим, что A и B — две параллельные линии в плоскости xy, и пусть CD и EF — два стержня, пересекающие их. Теперь, в пространстве xyz, если стержни вращаются вокруг линий A и B в одном и том же направлении, они опишут два независимых круга.
Fig. 9 (137).
Когда конец F будет опускаться, конец C будет подниматься. Они встретятся и столкнутся.
Но если мы будем вращать стержни вокруг плоскости AB посредством вращения z в w, эти движения не будут конфликтовать. Предположим, что вся фигура удалена, за исключением плоскости xz, и из этой плоскости проведем ось w, так что мы будем смотреть на пространство xzw.
Здесь, на рис. 10, мы не видим линий A и B. Мы видим точки G и H, в которых A и B пересекают ось x, но мы не видим сами линии, так как они проходят в направлении y, а оно отсутствует на нашем чертеже.
Теперь, если стержни движутся с вращением z в w, они будут поворачиваться в параллельных плоскостях, сохраняя свое относительное положение. Точка D, например, опишет круг. В одно время она будет над линией A, в другое — под ней. Следовательно, она вращается вокруг A.
Fig. 10 (138).
Не только два стержня, но и любое количество стержней, пересекающих плоскость, будут гармонично двигаться вокруг нее. Мы можем представить себе это вращение, предположив, что стержни, стоящие вдоль одной линии, движутся вокруг этой линии, и помня, что этому вращению не противоречит то, что стержни, стоящие вдоль другой линии, также движутся вокруг нее, при этом относительное положение всех стержней сохраняется. Теперь, если стержни плотно прижаты друг к другу, они могут представлять собой диск материи, и мы видим, что диск материи может вращаться вокруг центральной плоскости.
Вращение вокруг плоскости в точности аналогично вращению вокруг оси в трех измерениях. Если мы хотим, чтобы стержень вращался, его концы должны быть свободны; так и если мы хотим, чтобы диск материи вращался вокруг своей центральной плоскости посредством четырехмерного поворота, весь контур должен быть свободен. Весь контур соответствует концам стержня. Каждую точку контура можно рассматривать как конец оси в теле, вокруг каждой точки которой происходит вращение материи в диске.
Если один конец стержня зажат, мы можем скрутить стержень, но не повернуть его; так и если какая-либо часть контура диска зажата, мы можем придать диску кручение, но не повернуть его вокруг центральной плоскости. В случае растяжимых материалов длинный тонкий стержень будет скручиваться вокруг своей оси, даже если ось изогнута, как, например, в случае кольца из индийской резины.
Аналогичным образом, в четырех измерениях мы можем иметь вращение вокруг изогнутой плоскости, если можно так выразиться. Сферу можно вывернуть наизнанку в четырех измерениях.
Fig. 11 (139).
Пусть рис. 11 представляет сферическую поверхность, по обе стороны которой существует слой материи. Толщина материи представлена стержнями CD и EF, выступающими одинаково наружу и внутрь.
Теперь возьмем сечение сферы плоскостью yz — мы получим круг (рис. 12). Теперь пусть ось w будет проведена вместо оси x, так что мы получим представленное пространство yzw. В этом пространстве все, что будет видно от сферы, — это нарисованный круг.
Fig. 12 (140).
Здесь мы видим, что нет препятствий, мешающих стержням вращаться. Если материя достаточно эластична, чтобы податься настолько, чтобы частицы в E и C разделились так же, как они разделены в F и D, они могут вращаться до положения D и F, и аналогичное движение возможно для всех остальных частиц. Нет никакой материи или препятствия, которые мешали бы им двигаться наружу в направлении w, а затем вокруг окружности как оси. Теперь, то, что справедливо для одного сечения, будет справедливо для всех, так как четвертое измерение перпендикулярно всем сечениям, которые можно сделать из сферы.
Мы предположили, что материя, из которой состоит сфера, является трехмерной. Если бы материя имела небольшую толщину в четвертом измерении, на рис. 12 была бы небольшая толщина над плоскостью бумаги — толщина, равная толщине материи в четвертом измерении. Стержни пришлось бы заменить тонкими пластинами. Но это не изменило бы возможности вращения. Это движение обсуждается Ньюкомом в первом томе «Американского журнала математики».
Рассмотрим теперь не просто растяжимое тело, а жидкое. Масса вращающейся жидкости, водоворот, вихрь или тор обладает многими замечательными свойствами. При первом рассмотрении мы ожидали бы, что вращающаяся масса жидкости немедленно рассеется и растворится в окружающей жидкости. Вода слетает с вращающегося колеса, и мы ожидали бы, что вращающаяся жидкость рассеется. Но посмотрите, как странно устойчивы водовороты в реке. Кольца, которые возникают в клубах дыма и существуют так долго, — это вихри, изогнутые так, что их противоположные концы соединяются. Циклон может преодолевать огромные расстояния.
Гельмгольц первым исследовал свойства вихрей. Он изучал их так, как они возникали бы в идеальной жидкости — то есть в жидкости без трения одной движущейся части о другую. В такой среде вихри были бы неразрушимы. Они существовали бы вечно, меняя свою форму, но всегда состояли бы из одной и той же части жидкости. Но прямой вихрь не мог бы существовать, будучи полностью окруженным жидкостью. Концы вихря должны достигать какой-либо границы внутри или вне жидкости.
Вихрь, который изогнут так, что его противоположные концы соединяются, способен существовать, но ни один вихрь не имеет свободного конца в жидкости. Жидкость вокруг вихря всегда находится в движении, и один вихрь создает определенное движение в другом.
Лорд Кельвин выдвинул гипотезу, что части жидкости, обособленные в вихри, объясняют происхождение материи. Свойства эфира в отношении его способности распространять возмущения можно объяснить предположением о наличии в нем вихрей, а не свойством жесткости. Однако трудно представить себе какое-либо расположение вихревых колец и бесконечных вихревых нитей в эфире.
Теперь дальнейшее рассмотрение четырехмерных вращений показывает существование такого вида вихря, который сделал бы эфир, наполненный однородным вихревым движением, легко представимым.
Чтобы понять природу этого вихря, мы должны сделать шаг, принимая полное значение четырехмерной гипотезы. Допустив наличие четырехмерных осей, мы увидели, что вращение одной в другую оставляет две другие неизменными, и эти две образуют осевую плоскость, вокруг которой происходит вращение. Но как насчет этих двух? Обязательно ли они остаются неподвижными? Ничто не мешает вращению этих двух, одной в другую, происходящему одновременно с первым вращением. Эта возможность двойного вращения заслуживает самого пристального внимания, ибо это тот вид движения, который отчетливо характерен для четырех измерений.
Вращение вокруг плоскости аналогично вращению вокруг оси. Но в трехмерном пространстве нет движения, аналогичного двойному вращению, при котором, пока ось 1 переходит в ось 2, ось 3 переходит в ось 4.
Рассмотрим четырехмерное тело с четырьмя независимыми осями: x, y, z, w. Точка в нем может двигаться только в одном направлении в данный момент. Если тело обладает скоростью вращения, при которой ось x переходит в ось y, а все параллельные сечения движутся аналогичным образом, то точка опишет круг. Если теперь, в дополнение к вращению, при котором ось x переходит в ось y, тело совершает вращение, при котором ось z переходит в ось w, то рассматриваемая точка будет иметь двойное движение вследствие двух поворотов. Движения сложатся, и точка опишет круг, но не тот же самый круг, который она описала бы в силу каждого вращения в отдельности.
Мы знаем, что если телу в трехмерном пространстве придать два вращательных движения, они объединятся в единое вращательное движение вокруг определенной оси. Оно находится в том же состоянии, что и при одном вращательном движении. Направление оси меняется — вот и все. Это неверно для четырехмерного тела. Два вращения, x в y и z в w, независимы. Тело, подверженное обоим, находится в совершенно ином состоянии, чем когда оно подвержено только одному. Когда оно подвержено вращению, такому как x в y, целая плоскость в теле, как мы видели, остается неподвижной. Когда оно подвержено двойному вращению, никакая часть тела не остается неподвижной, кроме точки, общей для двух плоскостей вращения.
Если два вращения равны по скорости, каждая точка тела описывает круг. Все точки, равноудаленные от неподвижной точки, описывают круги одинакового размера.
Мы можем представить четырехмерную сферу с помощью двух диаграмм, в одной из которых мы берем три оси: x, y, z; в другой — оси x, w и z. На рис. 13 мы видим четырехмерную сферу в пространстве xyz. Рис. 13 показывает все, что мы можем видеть от четырехмерной сферы в пространстве xyz, ибо он представляет все точки в этом пространстве, которые находятся на равном расстоянии от центра.
Возьмем теперь сечение xz и пусть ось w займет место оси y. Здесь, на рис. 14, мы имеем пространство xzw. В этом пространстве мы должны взять все точки, которые находятся на одинаковом расстоянии от центра, следовательно, мы получаем другую сферу. Если бы у нас была трехмерная сфера, как было показано ранее, мы имели бы просто круг в пространстве xzw — круг xz, видимый в пространстве xzw. Но теперь, рассматривая вид в пространстве xzw, мы имеем сферу и в этом пространстве. Аналогичным образом, какой бы набор из трех осей мы ни взяли, мы получаем сферу.
Showing axes xyz
Fig. 13 (141).
Showing axes xwz
Fig. 14 (142).
На рис. 13 представим, что происходит вращение в направлении xy. Точка x повернется к y, а p — к p'. Ось zz' остается неподвижной, и эта ось — это все, что мы можем видеть от плоскости zw в пространственном сечении, представленном на рисунке.
На рис. 14 представим, что происходит вращение от z к w. Ось w теперь занимает положение, ранее занимаемое осью y. Это не означает, что ось w может совпадать с осью y. Это указывает на то, что мы смотрим на четырехмерную сферу с другой точки зрения. Любой вид в трехмерном пространстве покажет нам три оси, и на рис. 14 мы смотрим на xzw.
Единственная часть, которая идентична на двух диаграммах, — это круг осей x и z, которые содержатся в обеих диаграммах. Таким образом, плоскость zxz' одна и та же в обоих случаях, и точка p представляет одну и ту же точку на обеих диаграммах. Теперь, на рис. 14, пусть произойдет вращение zw: ось z повернется к точке w оси w, а точка p будет двигаться по кругу вокруг точки x.
Таким образом, на рис. 13 точка p движется по кругу, параллельному плоскости xy; на рис. 14 она движется по кругу, параллельному плоскости zw, как показано стрелкой.
Теперь предположим, что оба этих независимых вращения сложены: точка p будет двигаться по кругу, но этот круг не будет совпадать ни с одним из кругов, в которые ее привело бы любое из вращений по отдельности. Круг, по которому будет двигаться точка p, будет зависеть от ее положения на поверхности четырехмерной сферы.
В этом двойном вращении, возможном в четырехмерном пространстве, существует вид движения, совершенно не похожий ни на что, с чем мы знакомы в трехмерном пространстве. Чтобы определить, проявляют ли малые частицы материи характеристики четырехмерных движений, необходимо предварительно ознакомиться с основными характеристиками этого двойного вращения. И здесь я должен полагаться на формальное и логическое согласие, а не на интуитивное понимание, которое может быть получено только путем более детального изучения.
Во-первых, это двойное вращение состоит из двух разновидностей или видов, которые мы назовем видами A и B. Рассмотрим четыре оси: x, y, z, w. Вращение x в y может сопровождаться вращением z в w. Назовем это видом A.
Но также вращение x в y может сопровождаться вращением не z в w, а w в z. Назовем это видом B.
Они различаются только одним из составляющих вращений. Одно не является отрицанием другого. Это полуотрицание. Противоположностью вращения x в y, z в w было бы y в x, w в z. Полуотрицание — это x в y и w в z.
Если четыре измерения существуют, а мы не можем их воспринимать, потому что протяженность материи в четвертом измерении настолько мала, что все движения скрыты от прямого наблюдения, за исключением тех, что являются трехмерными, мы не должны наблюдать эти двойные вращения, а только их эффекты в трехмерных движениях того типа, с которым мы знакомы.
Если материя в своих малых частицах четырехмерна, мы должны ожидать, что это двойное вращение будет универсальной характеристикой атомов и молекул, ибо ни одна часть материи не находится в покое. Последствия этого корпускулярного движения можно наблюдать, но только в форме обычного вращения или смещения. Таким образом, если теория четырех измерений верна, то в корпускулах материи мы имеем целый мир движения, который мы никогда не сможем изучить напрямую, а только путем умозаключений.
Вращение A, как я его определил, состоит из двух равных вращений — одного вокруг плоскости zw, другого вокруг плоскости xy. Очевидно, что эти вращения не обязательно равны. Тело может двигаться с двойным вращением, в котором эти два независимых компонента не равны; но в таком случае мы можем считать, что тело движется с составным вращением — вращением вида A или B и, в дополнение, вращением вокруг плоскости.