Мы не должны воображать, что все точки между двумя другими лежат на одной линии; каждая лежит на каком-то коротком маршруте, соединяющем конечные точки, причем «короткий» маршрут — это тот, который состоит целиком из точек между конечными точками; но ни одна не лежит на всех коротких маршрутах.
Прежде чем развивать формальные следствия этого определения, может быть полезно рассмотреть его геометрический смысл. На прилагаемом рисунке q будет между p и r, если есть события, которые содержат все три, но нет таких, которые содержат p и r, не содержа q. (Я представляю события областями.) Теперь, если события часто могут иметь неправильные формы, такие как заштрихованная область на рисунке, казалось бы, что одно событие вряд ли когда-либо будет между двумя другими согласно определению. Поэтому я буду предполагать, что мы можем представлять события свободными от входящих углов и подобных странностей. Я представляю их все овальными; но формально было бы так же хорошо, если бы они все были четырехмерными кубами, и не имело бы значения, большие они или малые, при условии, что они не слишком сильно различаются и все выше определенного минимума. Эти изобразительные требования скорее для важности теории, которую предстоит развить, чем для ее истинности. В предыдущей главе мы предположили, что события таковы, что все они являются сферами согласно одной возможной метрике. Формально мы могли бы с равным успехом предположить, что существует метрика, в которой они все являются кубами. Некоторое предположение такого рода, как мы видели, необходимо для успеха нашего определения точек. Другие предположения, необходимые для его истинности, будут явно сформулированы по мере их введения. Предположения, введенные до сих пор в этой главе и предыдущей, таковы:
(1) Компрезенция симметрична.
(2) Определяя «события» как поле компрезенции, каждое событие компрезентно с самим собой.
(3) События могут быть вполне упорядочены; или, по крайней мере, те, которые компрезентны с данным событием, могут быть.
(4) Любые два события имеют отношение, которое является конечной степенью компрезенции. (Это требуется для отображения пространства-времени в зоны.) Иными словами, анцестральное отношение, производное от компрезенции, связно.
Теперь мы определим набор точек как «коллинеарный», если каждая пара набора связана, и каждая тройка p, q, r такова, что либо p ∩ r содержится в p ∩ q, либо p ∩ q содержится в p ∩ r. Мы определим набор точек как «линию», если (1) он коллинеарен, (2) он не содержится ни в какой большей коллинеарной группе с теми же конечностями. Будет видно, что это определение аналогично определению точек. Мы можем определить набор событий a как «сопунктуальный», когда каждый квинтет набора сопунктуален; и мы можем затем определить набор событий как «точку», когда (1) он сопунктуален, (2) он не содержится ни в какой большей сопунктуальной группе. Этот способ изложения нашего предыдущего определения «точек» подчеркивает аналогию.
«Линии», которые мы определяем, не должны считаться «прямыми»; прямолинейность — понятие, совершенно чуждое геометрии, которую мы развиваем. Возможно, было бы лучше назвать их «маршрутами»; но нет вреда называть их «линиями», при условии, что мы помним, что они не должны быть прямыми. В настоящее время мы не будем заниматься линиями, а только коллинеарными группами точек.
Определим набор точек как «q-коллинеарный», если (1) каждая пара набора связана; (2) даны любые две, p, r, либо q находится между p и r, либо p находится между q и r, либо r находится между p и q. Нам понадобятся такие аксиомы, которые позволят нам показать, что такой набор точек коллинеарен, а не просто q-коллинеарен, и что их порядок не зависит от q. Очевидно, что если мы ставим p перед r всякий раз, когда q находится между p и r, мы получаем сериальный порядок любого набора точек, который является q-коллинеарным. Но чтобы гарантировать, что порядок не зависит от q, нам требуются следующие три аксиомы:
(1) Если a, b, c, d — точки, и a содержится в b, и b содержится в c, и a и c различны, то d не содержится в b.
(2) Если a содержится в b, и b содержится в c, то a содержится в сумме b и c. (Отсюда немедленно следует, что a содержится в c.)
(3) Если a содержится в b, и b содержится в c, то a содержится в сумме b и c. (Отсюда немедленно следует, что a содержится в c.)
Практические следствия этих трех аксиом таковы:
(1) Если b и c находятся между a и d, и c находится между b и d, то b не находится между a и c.
(2) Если b находится между a и c, и c находится между b и d, то b и c находятся между a и d.
(3) Если b находится между a и c, и c находится между b и d, то c находится между a и d.
Из этих аксиом мы можем вывести, что множество точек, являющееся -коллинеарным, является коллинеарным. А также то, что для заданного множества -коллинеарных точек, если a является одной из них, точки множества, которые находятся дальше от a, чем b, являются -коллинеарными и сохраняют тот же порядок при расположении относительно a, какой они имели при расположении относительно b. А также то, что если b является одной из множества -коллинеарных точек, те из множества, которые находятся между a и b, являются -коллинеарными и имеют при расположении относительно b обратный порядок по сравнению с тем, который они имели при расположении относительно a. Эти предложения показывают, что у нас есть удовлетворительное определение порядка среди точек коллинеарного множества.
Приведенные выше аксиомы логически адекватны, но если рассматривать их как утверждения о физических истинах относительно событий, они могут показаться более или менее сомнительными. Мы должны помнить, что наши линии не являются прямыми и поэтому могут возвращаться в самих себя. Однако маршруты с очень большой кривизной исключаются нашим определением коллинеарности. Рассмотрим, например, такой маршрут, как на прилагаемом рисунке. Мы можем предположить, что a, b, c, d все связаны, но b и c не будут находиться между a и d согласно определению, поскольку очевидно, что событие может содержать a и d, не содержа b и c. Таким образом, если мы хотим рассматривать вышеупомянутый маршрут от a до d как, в некотором смысле, линию, это должно быть в расширенном смысле, а именно, что его можно разделить на ряд малых конечных частей, каждая из которых является линией. И множество точек может считаться коллинеарным в расширенном смысле, если оно допускает серийный порядок такой, что любой достаточно малый последовательный отрезок ряда является коллинеарным множеством — при условии, что такой отрезок должен содержать не менее четырех точек.
Теперь мы можем доказать, с помощью еще одной аксиомы, что любая прогрессия коллинеарных точек, лежащих между двумя точками a и b, должна иметь предел.
Пусть наше множество точек — это x_n, все лежащие на линии между a и b, в порядке от a к b. Пусть S — сумма всех точек в x_n (т.е. класс членов членов x_n), а P — их произведение, т.е. события, которые принадлежат каждому члену x_n. Тогда P не является пустым, поскольку a содержится в нем, и a, x_n связаны (в силу определения коллинеарности).
Пусть x'_n состоит из всех x_n, кроме x_1, x''_n из всех x_n, кроме x_1 и x_2 и т.д. Пусть P_n — события, принадлежащие всем членам x_n, и вообще пусть P_n будет событиями, принадлежащими всем членам x_n; и пусть S_n — сумма всех x_n. Тогда P_n состоит из всех тех событий, которые принадлежат всем достаточно поздним x_n; т.е. сказать, что событие является членом P_n, означает сказать, что существует n такое, что событие является членом x_m для всех значений m > n.
Будет замечено, что P_n содержится в P_m, следовательно, P_n содержится в S_m. Отсюда следует, что если x_n, x_m — два члена x_n, существует k такое, что x_n, x_m оба являются членами x_k. Следовательно, они оба являются членами P_k. Следовательно, любые пять членов x_n являются со-пунктуальными, и поэтому существует по крайней мере одна точка, которая содержит все x_n, поскольку x_n содержится в S_n.
Если существует предел, скажем L, для серии x_n, нам требуется:
(1) Чтобы L находился за всеми x_n, т.е. чтобы для каждого x_n и a мы имели a, содержащееся в x_n, т.е. чтобы мы имели a, содержащееся в L;
(2) Чтобы не было точки за всеми x_n, но между ними и b, т.е. чтобы, если p — любая точка такая, что x_n содержится в p, то L содержится в p.
Достаточным условием является, следовательно, L = P. Если существует точка L, удовлетворяющая этому условию, она является искомым пределом.
Если существует событие E такое, что каждый квартет x_n является со-пунктуальным с E, и каждый квартет x_n, который является со-пунктуальным с E, является частью E, то существует точка L, которая содержит E и имеет E в качестве члена, и эта точка будет такой, что L = P, так что она будет искомым пределом. Но если нет такого события, как E, мы должны действовать иначе.
В этом случае нам нужна новая аксиома, а именно:
Если p находится между a и b, и q является членом p, но не членом a, то существует квартет, который содержится в p и b, но не является со-пунктуальным с a.
На рисунке q представляет собой члена такого квартета.
Принимая эту аксиому, мы действуем следующим образом.
Поскольку L находится между a и b, если q является членом L, но не членом a, существует квартет, который содержится в L и b, но не является со-пунктуальным с a. Теперь L содержится в x_n; следовательно, существует квартет, который является частью x_n, но не является со-пунктуальным с a. Путем транспозиции следует, что если q является членом x_n и каждый квартет x_n является со-пунктуальным с a, то q является членом a. Отсюда следует, что q является членом x_1, x_2, ... так что q является членом P. Следовательно, поскольку q может быть любым членом L, следует, что любой член L, который является со-пунктуальным со всем P, является членом a. Теперь члены, со-пунктуальные со всем P, составляют класс P. Следовательно, общая часть P и L содержится в a, и поэтому равна a, поскольку a содержится в P и в L.
Теперь, если L' — точка, которая содержит P, следует, что L' содержится в L; следовательно, L' содержится в L, и поэтому равна L, поскольку L содержится в L' и в L. Следовательно, L — искомый предел.
Из этого следует, что компактная серия точек, содержащаяся внутри отрезка коллинеарных точек, является непрерывной. Из этого не следует, что существуют компактные серии точек; это потребовало бы аксиом существования, вводить которые нет смысла, поскольку мы не знаем, является ли пространство-время непрерывным или нет. Однако интересно отметить, что начального аппарата событий достаточно для создания непрерывного пространства-времени точек посредством отношений со-пунктуальности и логического включения.
Дальнейшее развитие нашей геометрии, с тем чтобы включить поверхности, объемы и четырехмерные области, очевидно, не представляет трудностей в принципе, и я не намерен подробно останавливаться на нем. Я лишь замечу, что можно расширить метод, с помощью которого мы определили точки и линии, чтобы получить нечто, что мы можем назвать поверхностями и областями, хотя и не совсем в обычном смысле. Вероятно, возможны различные способы сделать это; тот, который я предлагаю, следующий.
Класс линий будет называться «со-поверхностным», когда любые две пересекаются, но нет точки, общей для всех линий класса.
«Поверхность» — это со-поверхностный класс линий, который нельзя расширить, не перестав быть со-поверхностным.
Класс поверхностей является «со-региональным», когда любые две имеют общую линию, но ни одна линия не является общей для всех поверхностей класса.
«Область» — это со-региональный класс поверхностей, который нельзя расширить, не перестав быть со-региональным.
Очевидно, что этот метод можно распространить на любое количество измерений; также очевидно, что он требует ограничений и расширений. Но кажется излишним развивать этот вопрос дальше, поскольку ясно, что у нас есть то, что нужно для докоординатной геометрии пространства-времени.
Давайте теперь сравним наше сконструированное пространство-время с пространственными многообразиями analysis situs. В предыдущей главе мы процитировали определение «топологического» пространства Хаусдорфа и увидели, что для доказательства обычных предложений о пределах необходимо, чтобы общее количество окрестностей было aleph_0. Давайте теперь определим как «окрестность» точки p любое множество точек, каждая из которых содержит в качестве подкласса некоторый конечный со-пунктуальный класс событий, который является подклассом p. То есть, если a — со-пунктуальный класс событий, каждое из которых является членом p, множество всех точек, для которых a является подклассом, будет окрестностью p. С этим определением «окрестности» очевидно, что наше пространство обладает четырьмя характеристиками, которыми Хаусдорф (loc. cit., стр. 213) определяет топологическое пространство. Чтобы гарантировать, что наше пространство также удовлетворяет его второй счетной аксиоме (loc. cit., стр. 263), необходимо и достаточно предположить, что общее количество событий равно aleph_0. С этим допущением теоремы analysis situs становятся применимыми к нашему пространственно-временному многообразию точек.
Остается сказать несколько слов о предмете измерений. Мы до сих пор не сказали ничего определенного по этому предмету, хотя наше первоначальное введение со-пунктуальности как пятичленного отношения могло оказаться удовлетворительным только в четырехмерном многообразии. Наиболее подходящим определением измерений с нашей точки зрения является определение Пуанкаре, которое является индуктивным. Он определяет пространство S как одномерное, если для любых двух точек a, b существует изолированное множество точек, такое, что никакая связная часть S-не-a не содержит и a, и b. И он определяет пространство S как n-мерное, если для любых двух точек a, b существует (n-1)-мерное множество точек, такое, что никакая связная часть S-не-a не содержит и a, и b. Используя это определение, или любое другое, которое является чисто топологическим, мы устанавливаем аксиому, что наше топологическое пространство-время должно быть четырехмерным. [67] Это завершает материал, необходимый для топологической обработки пространства-времени.
СНОСКИ:
[66] О геометрии, основанной на «окрестности», см. Hausdorff, Grundzüge der Mengenlehre (Leipzig, 1914), гл. VII и VIII.
[67] Об обзоре современной теории измерений см. Karl Menger, Bericht über die Dimensionstheorie, Jahresbericht der deutschen Mathematiker-Vereinigung, 35, стр. 113-150 (1926).
ГЛАВА XXX КАУЗАЛЬНЫЕ ЛИНИИ
Понятие причинности было значительно модифицировано заменой пространства и времени пространством-временем. Мы можем определить причинность в самом широком смысле как охватывающую все законы, которые связывают события в разные моменты времени, или, чтобы адаптировать нашу фразеологию к современным потребностям, события, интервалы между которыми являются времениподобными. Теперь, благодаря тому факту, что формула для ds^2 формально одинакова для времениподобных и пространственноподобных интервалов, больше не существует различия, которое ранее существовало между каузальными и геометрическими отношениями. Геодезические линии являются геометрическими, но они также являются путями материальных частиц. Едва ли правильно говорить, что частица движется по геодезической линии; правильнее сказать, что частица и есть геодезическая линия (хотя не все геодезические линии являются частицами). Сказать, что частица движется по геодезической линии, — значит использовать язык, соответствующий концепции пространства, которое сохраняется во времени, включая понятие положения, которое может быть занято либо в одно время, либо в другое. Мы думаем, например, что можно переместиться из a в b или из b в a; но такой взгляд несовместим с теорией пространства-времени. Согласно этой теории, каждое положение тела имеет дату, и невозможно занять то же самое положение в другую дату, поскольку дата является одной из координат положения. Когда мы путешествуем из a в b, дата постоянно продвигается; обратный путь, имеющий другие даты, не покрывает тот же маршрут. Таким образом, геометрия и причинность становятся неразрывно переплетенными.
Д-р А. А. Робб подчеркивал тот факт, что, когда два события имеют пространственноподобный интервал, между ними не может быть прямой каузальной связи. Это означает, что для любых двух таких событий a и b, если возможно какое-либо выведение одного из другого, оно должно происходить через общего каузального предка. Два человека могут видеть солнце в один и тот же момент, так что интервал между их перцептами является пространственноподобным; вывод о том, что такой-то видит солнце сейчас, возникает из нашего знания о радиации и требует, чтобы мы проследили его перцепт и наш собственный к общему предку на солнце. Мы можем, следовательно, различать времениподобные и пространственноподобные интервалы, говоря, что первые происходят там, где есть некоторая прямая каузальная связь, в то время как вторые происходят там, где оба события связаны с общим предком или общим потомком. И, возможно, величина интервала может быть выведена из величины каузальной связи. Но если это возможно, необходимо будет достичь значительной точности в том, что мы подразумеваем под каузальными связями.
Как мы видели в Части II, восприятие как источник знания о физических объектах было бы невозможно, если бы в физическом мире не существовало полунезависимых каузальных цепей, или каузальных линий, как мы можем их назвать. Свет, который доходит до нас от печатной страницы, сохраняет структуру страницы; если бы он этого не делал, чтение было бы невозможно. Сохранение является лишь приблизительным; оно прекращается на расстоянии от книги. И оно прекращается внутри глаза, если у нас дефектное зрение. Но там, где происходит такой сбой, восприятие прекращается — или, скорее, оно угасает по мере того, как увеличивается неспособность сохранить структуру. Таким образом, для восприятия как источника знания существенно, чтобы в мире существовали каузальные серии, которые, в определенных пределах, независимы от остального мира.
Еще один момент, касающийся причинности, вытекает из рассмотрения восприятия. Ряд одновременных перцептов — например, буквы слова, которые мы читаем с первого взгляда — должны рассматриваться как «со-пунктуальные» в смысле наших двух предыдущих глав. Каждый из этих перцептов имеет свои собственные каузальные антецеденты, отличные от антецедентов других перцептов. Правда, может иметь место взаимная модификация — например, цвет выглядит иначе в соседстве с другим цветом, чем на темном фоне. Но это признается как «модификация», т.е. как осуществление изменения нормы, которое должно оставаться в определенных пределах, если восприятие должно быть успешным. Таким образом, воспринимающий субъект является местом встречи ряда более или менее независимых каузальных серий — по крайней мере, столько, сколько различимых элементов в его общем мгновенном перцептивном поле. Но хотя эти линии сошлись на нем более или менее независимо, совокупность его перцептов теперь становится каузальной единицей, как видно в мнемических явлениях. При наличии ряда одновременных перцептов перцепт, очень похожий на один из них, возникающий в будущем случае, вызывает нечто похожее на другие, или, по крайней мере, может это сделать; здесь со-пунктуальность перцептов существенна для характера их общего эффекта.