Риману, таким образом, принадлежит заслуга в том, что он первым обнародовал идею о том, что пространство, будучи частным случаем многообразия, является генерируемым, а следовательно, конечным. Он заложил фундамент для создания особого вида геометрии, известной как «эллиптическая». Пространство, как его видел он, обладало следующими свойствами, а именно: генерируемостью, делимостью, измеримостью, весомостью, конечностью и гибкостью.
Это шесть столпов, на которых покоится структура анализов гиперпространства. [5]
Генерируемость — это то свойство геометрического пространства, в силу которого оно может быть сгенерировано или сконструировано движением линии, плоскости, поверхности или тела в направлении вне себя. Делимость — это то свойство геометрического пространства, в силу которого оно может быть сегментировано или разделено на отдельные части и наложено или вставлено друг на друга или между собой. Измеримость — это то свойство, в силу которого геометрическое пространство определяется как многообразие либо положительной, либо отрицательной кривизны, а также то, с помощью которого может быть измерена его протяженность. Весомость — это то свойство геометрического пространства, в силу которого оно может рассматриваться как величина, которой можно манипулировать, сортировать, размещать на полках или иным образом распоряжаться. Конечность — это то свойство, в силу которого геометрическое пространство ограничено рамками индивидуального сознания унидима, дуодима или тридима и в силу которого оно конечно по протяженности. Гибкость — это то свойство, в силу которого геометрическое пространство рассматривается как обладающее кривизной, и в результате чего движение через него совершается по кривой, а не по геодезической линии, а также то, в силу которого оно может быть изогнуто без разрушения или дилатации.
Риман, который таким образом подготовил путь для входа в настоящий лабиринт гиперпространств, поэтому справедливо именуется «отцом метагеометрии», а четвертое измерение — его первенец. Он умер, когда ему было всего сорок лет, и никогда не жил достаточно долго, чтобы полностью разработать свою теорию в отношении ее применения к мере кривизны пространства. Это было оставлено его очень энергичному ученику Эудженио Бельтрами (1835–1900), который родился через девять лет после Римана и прожил на тридцать четыре года дольше него. Его труды знаменуют характерную точку зрения детерминативного периода. Математические исследования Бельтрами были посвящены главным образом неевклидовой геометрии. Они привели его к довольно замечательному выводу, что положения, воплощенные в ней, относятся к фигурам, лежащим на поверхностях постоянной отрицательной кривизны.
Бельтрами стремился показать, что такие поверхности имеют природу псевдосферы, и при этом использовал следующую иллюстрацию:
Fig. 3.
Fig. 4.
Если плоскую фигуру aabb заставить вращаться вокруг своей оси симметрии AB, две дуги, ab и ab, опишут псевдосферическую вогнуто-выпуклую поверхность, подобную поверхности сплошного кольца. Вверху и внизу, по направлению к aa и bb, поверхность будет поворачиваться наружу с постоянно возрастающим изгибом, пока не станет перпендикулярной к оси и не закончится у края с бесконечной кривизной. Или половина псевдосферической поверхности может быть свернута в форму бокала для шампанского, как на рис. 4. Таким образом, две самые прямые линии псевдосферической поверхности могут быть неограниченно продолжены, давая своего рода пространство (псевдосферическое), в котором аксиома о параллельных не выполняется.
Детерминативный период знаменует собой важнейший этап в развитии неевклидовой геометрии и, безусловно, самый значительный в эволюции идеи гиперпространств и многомерности. Риман и Бельтрами являются главными среди тех, чьи труды характеризуют масштаб этого периода. Их работа дала направление и общие очертания для последующих разработок, и все последующие исследования по этим линиям проводились в строгом соответствии с принципами, заложенными этими пионерами-конструкторами. Они разметили поле и обозначили его границы, за которые с тех пор никто из искателей приключений не осмеливался переступить.
Огромное значение работы Римана в это время можно увидеть далее в том факте, что она не только ознаменовала начало новой эпохи в геометрии; но его провозглашение гипотезы о том, что пространство безгранично, хотя и конечно, является действительно первым разом в истории человеческой мысли, когда было выражено мнение, что пространство может быть лишь ограниченным по протяженности. До того времени умы всех людей, казалось, были единодушны в рассмотрении пространства как безграничной и бесконечной величины.
Элаборативный период
Элаборативный этап включает в себя работу всех тех, кто, работая на фундаментах, заложенных Лобачевским, Бойяи, Швейкартом и Риманом, стремился расширить выводы, достигнутые ими. Среди тех, чьи исследования значительно приумножили приложения концепций гиперпространства, — Оэль (1866) и Фли Сент-Мари (1871) из Франции; Гельмгольц (1868), Фришауф (1872), Клейн (1849) и Бальцер (1877) из Германии; Бельтрами (1872) из Италии; Де Тилли (1879) из Бельгии; Клиффорд и Кэли (1821) из Англии; Ньюком (1835) и Халстед из Америки.
Они были наиболее активны в популяризации предмета неевклидовой геометрии и, попутно, идеи четвертого измерения. Огромная масса непрофессиональных математических читателей, следовательно, обязана этим людям неизмеримым долгом благодарности за работу, которую они проделали в деле придания концепциям, составляющим ткань метагеометрии, понятности и мыслимости. Взгляд на библиографию, приложенную в конце этого тома, даст некоторое представление об огромном объеме труда, который был затрачен в попытке перевести самые абстрактные математические принципы на язык, который мог бы быть легко понят средним интеллигентным человеком.
Характерной точкой зрения этого периода является популярное понимание концепции гиперпространства и последующее ментальное освобождение, которое за этим следует. Ибо нет сомнений в том, что неслыханные возможности мысли были раскрыты исследованиями природы пространства. Совершенно новый мир был открыт для обозрения, и только начало было положено в исследовании его протяженности и ресурсов.
Одним из примечательных событий ранних лет этого периода является позиция, занятая Феликсом Клейном, который находится примерно в таком же отношении к Кэли, как Бельтрами к Риману, в том, что он взял на себя задачу завершения работы своего предшественника. Клейн придерживался мнения, что существует только два вида риманова пространства — эллиптическое и сферическое. Или, другими словами, что существует только два возможных вида пространства, в которых могли бы применяться положения, провозглашенные Риманом. Софус Ли, названный «великим сравнительным анатомом геометрических теорий», довел свои классификации до окончательного вывода в связи с пространствами всех видов и решил, что возможны только четыре вида трехмерных пространств.
Но независимо от того, установят ли люди с проницательным, микроскопическим, гистологическим зрением существование одного или многих пространств, и независимо от математической строгости, с которой они будут доказывать самосогласованность доктрин, которых они придерживаются, остается фактом то, что гипотезы, таким образом поддерживаемые, хотя их можно рассматривать как верные описания рассматриваемых пространств, являются, тем не менее, несовместимыми. Все они не могут быть верными. Возможно, будет обнаружено, что ни одна из них не является верной, особенно объективно. Единственный верный взгляд, следовательно, на эти системы гиперпространств — это тот, который отводит им надлежащее место в бесконечно обширном мире чистого матезиса, где их верность может оставаться неоспоримой, а их существование — не подвергаться сомнению; ибо в этой области неограниченного мышления, в том царстве божественной интуитивности, удивительной стране чудес идей и понятий, человек не только не склонен сомневаться в их логической актуальности, но и вполне готов признать их притязания.
ГЛАВА III
Основы неевклидовой геометрии
Неевклидова геометрия, касающаяся исключительно концептуального пространства — Результат неудач в решении постулата о параллельных — Основа неевклидовой геометрии — Кривизна пространства и многообразие — Некоторые элементы неевклидовой геометрии — Достоверность, необходимость и универсальность как оплоты геометрии — Некоторые последствия усилий по решению постулата о параллельных — Окончательный итог неевклидовой геометрии — Расширенное сознание.
Термин «неевклидова» используется для обозначения любой системы геометрии, которая не является строго евклидовой по содержанию.
Интересно отметить, как этот термин стал использоваться. По-видимому, он был впервые применен Гауссом. Однако он не пришел к нему внезапно, так как в переписке между ним и Вахтером в 1816 году он использовал обозначение «антиевклидова», а затем, позже, вслед за Швейкартом, он принял терминологию последнего и назвал ее «Астральной геометрией». Это он нашел в первом опубликованном трактате Швейкарта, известном под этим названием, который появился в Марбурге в декабре 1818 года. Наконец, в своей переписке с Тауринусом в 1824 году Гаусс впервые использовал выражение «неевклидова» для обозначения системы, которую он разработал, и продолжал использовать его в своей переписке с Шумахером в 1831 году.
«Нележандрова», «полуевклидова» и «неархимедова» — это названия, используемые М. Деном для обозначения всех видов геометрий, которые представляли собой отклонения от гипотез, заложенных Лежандром, Евклидом и Архимедом.
Полуевклидова — это система геометрии, в которой сумма углов треугольника, как говорят, равна двум прямым углам, но в которой можно провести бесконечное множество параллелей к прямой линии через данную точку. Неевклидова геометрия охватывает все результаты, полученные в результате усилий, предпринятых для поиска удовлетворительного доказательства постулата о параллельных, и поэтому основана на концепции пространства, которая расходится с той, которой придерживался Евклид. Согласно ионийской школе, пространство — это бесконечный континуум, обладающий однородностью на всем своем протяжении. Неевклиды утверждают, что пространство — это не бесконечное протяжение, а конечное, хотя и безграничное многообразие, способное быть сгенерированным движением точки, линии или плоскости в направлении вне себя. Также считается, что пространство искривлено и существует в форме сферы или псевдосферы и, следовательно, является эллиптическим.
Неприменимость постулата о параллельных Евклида к линиям, проведенным на поверхности сферы, подсказала возможность существования пространства, в котором постулат мог бы применяться ко всем возможным поверхностям, или того, что само пространство может быть сферическим, и в этом случае постулат был бы полностью аннулирован. Следовательно, вполне естественно, что математики, обнаружив, что не могут доказать постулат с должной математической точностью, обратили свое внимание на концептуально возможное. В этом фактическом отказе от перцептивного в пользу концептуального заключается фундаментальное различие между евклидовой и неевклидовой геометриями. Можно сказать в заслугу евклидов, что они стремились сделать свои геометрические концепции как можно более соответствующими фактической природе вещей в чувственном мире, в то же время они, должно быть, осознавали, что в лучшем случае их пространственные понятия были лишь приближениями к чувственной реальности объектов в пространстве.
С другой стороны, неевклиды не делают вид, что обнаруживают какое-либо соответствие между своими понятиями и вещами, как они есть на самом деле. Отношение метагеометров в этом отношении очень метко описано Кассиусом Джексоном Кейзером, который говорит:
«Он конструирует в мысли не имеющую вершины иерархию гиперпространств, бесконечную серию упорядоченных миров, миров, которые возможны и логически актуальны, и он довольствуется тем, что не знает, является ли какой-либо из них актуальным или актуализированным иным образом». [6]
Неевклидова геометрия, следовательно, не обеспокоена применимостью ансамблей, понятий и положений к реальным, перцептивным условиям пространства. Ему достаточно знать, что его творения мыслимы. Как только он может разрешить туманность своего сознания в концептуальные «звездные формы» определенных идей и понятий, он садится за пир, который находит предоставленным супероплодотворенными гипотезами, изготовленными в глубинах разума и логических актуальностей, невозмутимый и не заботящийся о благе перцептивного пространства в его однородности формы и размерности.
Фундаментально неевклидова геометрия построена почти полностью на основе концептуального пространства. Знание о ее содержании, соответственно, выводится из сверхперцептивного представления отношений и взаимоотношений, существующих между понятиями, идеями, положениями и величинами, возникающими из концептуального рассмотрения оных. Другими словами, представления о неевклидовых величинах нельзя назвать строго перцептивными в том же смысле, в каком воспринимаются величины трехмерного пространства; ибо величины трехмерного пространства — это действительно чувственные объекты, в то время как величины гиперпространства — нет. Они далеки от чувственного мира, и чтобы постичь их, нужно поднять свое сознание с чувственного плана на концептуальный план и осознать класс восприятий, которые не являются восприятиями в строгом смысле слова, а сверхвосприятиями; потому что они являются представлениями концептов, а не перцептов.
Понятия перцептивного пространства состоят из тройных представлений, возникающих из визуальных, тактильных и моторных ощущений, которые сливаются вместе в их окончательной доставке сознанию. Синтез этих трех чувственных доставок достигается путем уравновешивания их соответствующих различий и путем исправления восприятий одного чувства восприятиями другого таким образом, чтобы получить полностью надежное восприятие объекта. Это тот способ, которым устанавливаются характеристики евклидова пространства.
Характеристики неевклидова пространства достигаются не совсем таким способом. Находясь за пределами сферы визуальных, тактильных и моторных чувственных восприятий, нельзя сказать, что они представляют суждения, полученные из какого-либо рассмотрения или разработки доставок, представленных через эти медиа. Тем не менее, субстанция метагеометрии, или науки об измерении гиперпространств, не может рассматриваться как априорная надстройка, на которой основана система. То есть концептуальное пространство неевклидовой геометрии не представляется сознанию как априорное понятие. С другой стороны, апостериорное качество метагеометрических пространств отмечает весь масштаб подвижности понятий, относящихся к ним.
Понятия, следовательно, концептуального пространства выводимы только из восприятия концептов, или, иначе, состоят из суждений относительно межконцептуальных отношений. Процесс апперцепции, вовлеченный в распознавание отношений, которые могут быть методически определены, сильно удален от первичной процедуры восприятия чувственных впечатлений и слияния их в окончательные доставки сознанию для концептуализации или разработки в концепты или общие понятия. Это процедура, которая во всех отношениях является сверхконцептуальной и внечувственной. Метагеометр или аналитик никоим образом не полагается на чувственные доставки для данных своих конструкций; ибо, если бы он это делал, он был бы тогда сведен к необходимости ограничивать свои выводы сферой подвижности, навязанной чувственным миром, с результатом, что мы были бы способны эмпирически проверять все его постулаты. Но, напротив, он обращается к внечувственному, и там, в царстве чистой концептуальности, он находит необходимую свободу для своих теорий; таким образом, окруженный своего рода интеллектуальным анархизмом, он преследует аналитические удовольствия совершенно беспрепятственно. Разница между двумя ментальными процессами — тем, который ведет от чувственного мира к концепции, и тем, который сворачивает в поля за его пределами, — настолько велика, что едва ли позволительно рассматривать результаты, достигнутые в исходе отдельных процессов, как идентичные.
Чтобы проиллюстрировать эту разницу, давайте проведем аналогию. Шахтер добывает железную руду из земли. Железо отделяется от постороннего материала и доставляется в печи, где металл плавится и выходит как чугун. Он подвергается дальнейшей обработке, и производятся сталь различных сортов, литое железо и другие виды железа. Обработка железной руды до этой стадии аналогична обработке чувственных впечатлений Мыслителем. Сталь, литое железо и т. д. аналогичны ментальным концептам. Позже сталь и другие продукты превращаются в инструменты и многочисленные изделия. Это представляет сверхперцептивный процесс. Торговля продуктами железной руды, такими как точные инструменты, пружины часов и тому подобное, представляет собой стадию, еще более удаленную от первичной обработки руды, и аналогична той, которой подвергаются концепты, когда метагеометр манипулирует ими при конструировании концептуальных пространственных форм. Восприятие — это работа с сырой железной рудой, в то время как концепция аналогична производству готового продукта.
Сверхвосприятие было бы аналогично торговле готовым продуктом как таковым и без какой-либо ссылки на источник или предшествующие процессы. Таким образом, понятия и суждения неевклидовой геометрии достигаются в результате тройного процесса восприятия, концепции и сверхвосприятия, причем последнее лишь сверхпостигается как формальные пространственные понятия. Но очевидно, что чем сложнее процессы, с помощью которых выводятся суждения, претендующие на отношение к перцептивным вещам, тем более вероятно, что эти суждения будут расходиться с природой самих вещей.
Ввиду вышесказанного опасности, возникающие в результате отождествления продуктов двух процессов, действительно очень очевидны. Но разница между двумя процедурами — это разница между евклидовой и неевклидовой геометриями или разница между понятиями перцептивного пространства и понятиями концептуального пространства. Следовательно, не совсем понятно, как или почему кому-то пришло в голову, что эти два понятия могут быть сделаны конгруэнтными. Величины в перцептивном, чувственном пространстве — это вещи, отличные от тех, которые можно сказать, существуют в математическом пространстве, или того пространства, чьи качества и свойства не имеют существования вне разума, который их постиг. Считается совершенно невозможным подходить к изучению метагеометрических положений с ясным, открытым умом, предварительно не поняв фундаментальных различий, которые существуют между ними.