Аксиомы геометрии, таким образом, будучи выявленными как факты опыта, возник вопрос, не могут ли таким же образом, каким было показано, что возможны различные двумерные геометрии, быть развиты также различные трехмерные системы геометрии; и, следовательно, каковы были отношения, в которых они могли бы стоять к геометрии пространства, данного нашими чувствами и представимого нашему уму. Как факт, трехмерная геометрия может быть развита, которая, подобно геометрии поверхности яйца, исключит аксиому, что фигура или тело может быть перенесено из любой одной части пространства в любую другую и все же оставаться конгруэнтным самому себе. О трехмерном пространстве, в котором такая геометрия может быть развита, мы говорим, что оно не имеет постоянной меры кривизны.
Пространство, которое представимо нам и которое мы будем впредь называть пространством опыта, обладает, как подтверждают наши опыты без исключения, особым свойством, что каждая телесная вещь может быть перенесена из любой одной части его в любую другую, не претерпевая при переносе никакого растяжения или никакого сжатия. Пространство опыта, следовательно, имеет постоянную меру кривизны. Вопрос, однако, является ли эта мера кривизны ноль или положительной, то есть обладает ли пространство опыта свойствами, которыми в двумерных структурах обладает плоскость, или является ли оно трехмерным аналогом поверхности сферы, — это вопрос, на который может ответить только будущий опыт. Если пространство опыта имеет постоянную положительную меру кривизны, которая отлична от нуля, будь разница хоть сколь угодно малой, точка, которая должна была бы двигаться вечно вперед по прямой линии, или, точнее выражаясь, по кратчайшей линии, должна была бы когда-нибудь, хотя, возможно, после прохождения расстояния, которое для нас немыслимо, в конечном итоге прибыть с противоположного направления в то место, из которого она отправилась, точно так же, как точка, которая движется вечно вперед в том же направлении на поверхности сферы, должна в конечном итоге прибыть в свою исходную точку, причем расстояние, которое она проходит, тем длиннее, чем больше радиус сферы или чем меньше ее кривизна.
Покажется, на первый взгляд, почти невероятным, что пространство опыта даже может иметь это свойство. Но пример, который является историческим аналогом этой современной трансформации наших концепций, сделает идею менее чудесной. Давайте перенесемся назад в эпоху Гомера. В то время люди верили, что Земля — это большой диск, окруженный со всех сторон океанами, которые мыслились во всех направлениях бесконечно большими. Действительно, для первобытного человека, который никогда не путешествовал далеко от места своего рождения, это самая естественная концепция. Но представьте теперь, что пришел бы какой-то ученый и сообщил гомеровскому герою Улиссу, что если бы он путешествовал вечно по Земле в том же направлении, он в конечном итоге вернулся бы в точку, из которой начал; конечно, Улисс смотрел бы с таким же изумлением на этого ученого, как мы сейчас смотрим на математика, который говорит нам, что возможно, что точка, которая движется вечно вперед в пространстве в том же направлении, может в конечном итоге прибыть в место, из которого она начала. Но несмотря на тот факт, что Улисс рассматривал бы утверждение ученого как ложное, потому что оно противоречит его привычным концепциям, этот ученый, тем не менее, был бы прав; ибо Земля — это не плоскость, а сферическая поверхность. Так же и математик мог бы быть прав, который основывает этот более недавний странный взгляд на возможном факте, что пространство опыта может иметь меру кривизны, которая не точно ноль, а немного больше нуля. Если бы это было действительно так, объем пространства опыта, хотя и очень большой, был бы, тем не менее, конечным; точно так же, как реальная сферическая поверхность Земли в отличие от гомеровской плоской поверхности конечна, имея столько-то и столько-то квадратных миль. Когда здесь делается возражение, что конечность пространства полностью противоречит нашим способам мышления и концепциям, смешиваются две идеи: «бесконечно большое» и «неограниченное». Все, что противоречит нашим практическим концепциям, — это то, что пространство может где-либо иметь предел; а не то, что оно может, возможно, быть огромной, но конечной величины.
Теперь будет задан вопрос, не можем ли мы определить путем фактического наблюдения, является ли мера кривизны эмпирического пространства точно нулем или немного отличается от него. Теорема о сумме углов треугольника и выводы, которые следуют из этой теоремы, действительно дают нам средство для выяснения этого факта. И результаты наблюдения были таковы, что мера кривизны пространства по всей вероятности точно равна нулю, или, если она немного отличается от нуля, то настолько мало, что технические средства наблюдения, находящиеся в нашем распоряжении, и особенно наши телескопы, не компетентны определить величину отклонения. Большего мы с уверенностью сказать не можем.
Все эти размышления, к которым критика гипотез, лежащих в основе геометрии, давно привела исследователей, заставляют нас провести сравнение между пространством опыта и другими трехмерными агрегатами точек (пространствами), которые мы не можем ментально представить, но можем в мысли и слове точно определить и исследовать. Как только, однако, мы полностью вовлечены в задачу точного исследования свойств трехмерных агрегатов точек, мы аналогичным образом обнаруживаем себя вынужденными рассматривать такие агрегаты как составные элементы многомерности более чем трех измерений. Таким образом, точная критика даже обычной геометрии ведет нас к абстрактному допущению пространства более чем трех измерений. И так как расширение каждой идеи дает более ясную и прозрачную форму идее, как она стояла изначально, здесь тоже идея многомерных агрегатов точек и исследование их свойств пролили новый свет на истины обычной геометрии и поставили ее свойства в более ясный рельеф. Среди многочисленных примеров, которые показывают, как понятие пространства многих измерений сослужило большую службу науке в исследовании трехмерного пространства, мы дадим здесь место одному, который находится в пределах понимания нематематиков.
Представьте на плоскости два треугольника, углы которых обозначены парами чисел — а именно: 1-2, 1-3, 1-4 и 2-5, 3-5, 4-5. (См. рис. 2.) Пусть два треугольника лежат так, что три линии, которые соединяют углы 1-2 и 2-5, 1-3 и 3-5, и 1-4 и 4-5, пересекаются в точке, которую мы назовем 1-5. Если теперь мы заставим стороны треугольников, которые противоположны этим углам, пересечься, будет обнаружено, что полученные таким образом точки пересечения обладают своеобразным свойством лежать все на одной и той же прямой линии. Точку пересечения соединения 1-3 и 1-4 с соединением 4-5 и 3-5 можно соответствующим образом назвать 3-4. Аналогично, точка пересечения 2-4 производится встречей 4-5, 2-5 и 1-2, 1-4; и точка пересечения 2-3 — встречей 1-3, 1-2 и 3-5, 2-5. Утверждение, что три точки пересечения 3-4, 2-4, 2-3, полученные таким образом, лежат на одной прямой линии, может быть доказано принципами планиметрии только с трудом и большой обстоятельностью. Но прибегнув к трехмерному пространству опыта, в котором лежит плоскость чертежа, предложение может быть сделано почти самоочевидным.
Рис. 2.
Для начала представьте любые пять точек в пространстве, которые могут быть обозначены числами 1, 2, 3, 4, 5; затем представьте все возможные десять прямых линий соединения, проведенных между каждыми двумя из этих точек, а именно: 1-2, 1-3 ... 4-5; и, наконец, также все десять плоскостей соединения каждых трех описанных точек, а именно: плоскость 1-2-3, 1-2-4, ... 3-4-5. Таким образом будет получена пространственная фигура, чьи десять прямых линий встретят некоторую промежуточную плоскость в десяти точках, относительные положения которых точно таковы, как у десяти точек, описанных выше. Так, например, на этой плоскости точки 1-2, 1-3 и 2-3 будут лежать на прямой линии, ибо через три пространственные точки 1, 2, 3 можно провести плоскость, которая пересечет плоскость чертежа по прямой линии. Причина, следовательно, того, что три точки 3-4, 2-4, 2-3 также должны в конечном итоге лежать на прямой линии, состоит в простом факте, что плоскость трех точек 2, 3, 4 должна пересекать плоскость чертежа по прямой линии. Рассматриваемая здесь фигура состоит из десяти точек, из которых наборы по три лежат десять раз на прямой линии так, что, наоборот, из каждой точки также исходят три прямые линии.
Рис. 3.
Теперь, точно так же, как эта фигура является сечением полного трехмерного пятиугольника, другая замечательная фигура, обладающая подобными свойствами, может быть получена сечением фигуры четырехмерного пространства. Представьте, а именно, шесть точек, 1, 2, 3, 4, 5, 6, расположенных в этом четырехмерном пространстве, и каждые три из них соединены плоскостью, а каждые четыре из них — трехмерным пространством. Мы получим таким образом двадцать плоскостей и пятнадцать трехмерных пространств, которые пересекут плоскость, в которой должна быть произведена фигура, в двадцати точках и пятнадцати лучах, которые лежат так, что каждая точка испускает три луча и каждый луч содержит четыре точки. (См. рис. 3.) Фигуры такого описания, которые составлены из точек и лучей так, что равное число лучей исходит из каждой точки и равное число точек лежит на каждом луче, называются конфигурациями. Другие конфигурации могут, конечно, быть произведены путем взятия другого числа точек и путем допущения, что взятые точки лежат в пространстве других или даже более высоких измерений. Автор этой статьи был первым, кто обратил внимание на конфигурации, производные от пространств более высоких измерений. Как мы видим, значит, понятие пространства более чем трех измерений выполнило важную работу в исследованиях обычной планиметрии.
В заключение я хотел бы добавить замечание, которое делает Кранц относительно применения идеи многомерного пространства к теоретической химии. (См. ранее цитируемый трактат.) В химии молекулы сложного тела, как говорят, состоят из атомов элементов, которые содержатся в теле, и они предполагаются расположенными на определенных расстояниях друг от друга и удерживаемыми в своих относительных положениях определенными силами. Сначала центры атомов мыслились лежащими в одной и той же плоскости. Но Вислиценус был приведен исследованиями паралактической кислоты к объяснению различий изомерных молекул с одинаковыми структурными формулами различными положениями атомов в пространстве. (Сравните «La chimie dans l’espace» ван’т Гоффа, 1875, предисловие Й. Вислиценуса). На самом деле четыре точки всегда могут быть так расположены в пространстве, что каждые две из них могут иметь любое расстояние друг от друга; и изменение одного из шести расстояний не обязательно влечет за собой изменение любого другого.
Но предположим, что наша молекула состоит из пяти атомов. Четыре из них могут быть расположены так, что расстояние между любыми двумя из них можно сделать каким угодно. Но уже невозможно придать пятому атому такое положение, чтобы каждое из четырех расстояний, отделяющих его от остальных атомов, было каким угодно. Совсем наоборот, четвертое расстояние зависит от трех оставшихся, поскольку пространство опыта имеет только три измерения. Следовательно, если у меня есть молекула, состоящая из пяти атомов, я не могу изменить расстояние между двумя из них, не изменив при этом хотя бы еще одно расстояние. Но если мы представим центры атомов расположенными в четырехмерном пространстве, это становится возможным; тогда все десять расстояний, которые можно представить существующими между пятью точками, будут независимы друг от друга. Чтобы достичь того же результата в случае шести атомов, мы должны предположить пятимерное пространство, и так далее.
Теперь, если теоретические химические исследования абсолютно требуют независимости всех возможных расстояний между атомами молекулы, то наука действительно вынуждена, если она имеет дело с молекулами, состоящими более чем из четырех атомов, использовать идею пространства с более чем тремя измерениями. Эта идея в данном случае является просто инструментом исследования, точно так же, как и идеи молекул и атомов — средствами, предназначенными для охвата в наглядной и систематической форме явлений химии и для обнаружения условий, при которых могут быть вызваны новые явления. Существует ли на самом деле четырехмерное пространство — это вопрос, неразрешимость которого не мешает исследованиям использовать эту идею, точно так же, как химии не помешало использование понятия атома, хотя никто на самом деле не знает, существуют ли вещи, которые мы называем атомами, или нет.
IV. ОПРОВЕРЖЕНИЕ АРГУМЕНТОВ, ПРИВЕДЕННЫХ В ДОКАЗАТЕЛЬСТВО СУЩЕСТВОВАНИЯ ЧЕТЫРЕХМЕРНОГО ПРОСТРАНСТВА, ВКЛЮЧАЮЩЕГО ВИДИМЫЙ МИР.
Соображения предыдущего раздела убедят образованного нематематика в той пользе, которую теория многомерных пространств принесла и, по всей вероятности, принесет геометрическим исследованиям. В дополнение к этому следует учитывать, что каждое расширение одной отрасли математической науки является постоянным источником благотворного и полезного влияния на другие отрасли. Однако знание того, что математики могут с успехом использовать понятие четырехмерного пространства в своих исследованиях, никогда не было бы достаточным, чтобы обеспечить ему нынешнюю популярность; ибо каждый разумный человек теперь слышал о нем и в шутку или всерьез часто говорит о нем. Знание о четырехмерном пространстве не доходило до ушей образованных нематематиков до тех пор, пока не стали публично известны выводы, которые спиритуалисты сочли допустимым сделать из этого математического понятия. Но это огромный шаг от четырехмерного пространства математиков к пространству, из которого духи-друзья спиритических медиумов развлекают нас стуками, ударами и плохим английским. Прежде чем сделать этот шаг, мы сначала обсудим вопрос о реальном существовании четырехмерного пространства, не решая вопроса о том, населено ли это пространство, если оно действительно существует, разумными существами, которые сознательно воздействуют на мир, в котором мы существуем.
Рис. 4.
Среди причин, выдвигаемых в доказательство существования четырехмерного пространства, содержащего мир, наименее предосудительными являются те, что основаны на существовании симметрии. Мы говорили выше о двух треугольниках в одной плоскости, которые имеют все свои стороны и углы конгруэнтными, но которые нельзя совместить простым перемещением внутри плоскости; но мы видели, что это совмещение можно осуществить, зафиксировав одну сторону одного треугольника и переместив его из его плоскости до тех пор, пока он не будет повернут настолько, что снова попадет в свою плоскость. Теперь нечто подобное существует в пространстве. Вырежьте две фигуры, точно такие же, как на рис. 4, из куска бумаги и поверните треугольник ABF вокруг стороны AB, ACE вокруг стороны AC, BCD вокруг стороны BC, причем в одной фигуре вверх, а в другой вниз; тогда в обоих случаях точки D, E, F встретятся в одной точке, потому что AE равно AF, BF равно BD, CD равно CE. Таким образом, мы получаем две пирамиды, которые конгруэнтны по всем длинам и всем углам, однако которые, как бы мы ни старались, нельзя заставить совпасть, то есть подогнать одну к другой так, чтобы они обе стояли как одна пирамида. Но зеркальное отражение одной из них можно было бы привести в совпадение с другой. Две пространственные структуры, стороны и углы которых таким образом равны друг другу и каждая из которых может рассматриваться как зеркальное отражение другой, называются симметричными. Например, правая и левая рука симметричны; или правая и левая перчатка. Теперь, точно так же, как в двух измерениях невозможно простым перемещением привести к конгруэнтности треугольники, которые, подобно вышеупомянутым, могут быть совмещены только путем поворота, так и в трех измерениях невозможно привести к конгруэнтности две симметричные пирамиды. Тщательное математическое размышление, однако, гласит, что это можно было бы осуществить, если бы было возможно, удерживая одну из поверхностей, переместить пирамиду из пространства опыта и повернуть ее через четырехмерное пространство до тех пор, пока она не достигнет точки, в которой она снова вернется в наше пространство опыта. Этот процесс был бы просто четырехмерным аналогом трехмерного поворота в вышеупомянутом случае с двумя треугольниками. Далее, внутренние поверхности в этом процессе превратились бы во внешние, и наоборот, точно так же, как при повороте треугольника передняя и задняя стороны меняются местами. Если структура, которая должна быть преобразована в свой симметричный аналог, сделана из гибкого материала, упомянутая замена внутренних и внешних поверхностей может быть осуществлена простым выворачиванием структуры наизнанку; например, правая перчатка может быть таким образом превращена в левую.
Теперь из этой истины, что каждая структура может быть преобразована посредством четырехмерного пространства, включающего мир, в симметричную ей структуру, пытались установить вероятность реального существования четырехмерного пространства. Тем не менее, из дискуссий предыдущего раздела будет очевидно, что единственный вывод, который мы можем здесь сделать, заключается в том, что идея четырехмерного пространства способна, с математической точки зрения, пролить некоторый свет на явления симметрии. Делать из этих фактов вывод, что пространство такого рода действительно существует, было бы столь же смело, как делать вывод из того факта, что равномерная угловая скорость видимых движений неподвижных звезд объяснима предположением об осевом движении небосвода, что неподвижные звезды действительно жестко закреплены на небесной сфере, вращающейся вокруг своей оси. Не следует забывать, что наше понимание явлений реального мира состоит из двух элементов: во-первых, того, чем вещи являются на самом деле, и, во-вторых, того, посредством чего мы рационально постигаем вещи. Этот последний элемент частично зависит от суммы опыта, который мы приобрели ранее, и частично от необходимости, обусловленной несовершенством разума, охватывать многочисленные изолированные явления мира категориями, которые мы сами сформировали и которые, следовательно, не полностью выведены из самих явлений, а в значительной степени зависят от нас.