с помощью непрерывной деформации. Например, бублик и кружка с точки зрения топологии неотличимы (гомеоморфны). Представьте, что кружка сделана из какого-то пластичного материала, который можно гнуть, сжимать или растягивать. Сначала вы сплющиваете кружку в диск так, чтобы получился «блин» с ручкой. Затем уминаете «блин» до тех пор, пока он не станет одной толщины с ручкой, и получаете кольцо. Теперь остаётся лишь немного его сгладить – и вуаля, перед вами бублик. В действительности, согласно топологии, и бублик, и кружка являются просто-напросто деформированной каплей, к которой зачем-то приделали ручку.
Такая топологическая версия «формы» позволяет задать вопрос, является ли Вселенная сферической, наподобие английского пончика (без дырки) или же американского (с дыркой), а может быть, это вообще что-то гораздо более сложное? Выяснилось, что подкованный в топологии муравей сумеет многое узнать о форме своего мира, если будет обвязывать его замкнутыми верёвочными петлями и наблюдать за их поведением. Если в таком мире имеется дыра, муравей может обвязать её своей петлёй, а вот стянуть её в математическую точку и при этом не разорвать невозможно. Если дыр несколько, муравей может обвязывать петлёй каждую из них и в результате подсчитать их количество и расположение. Если же в его мире дыр нет, муравей сможет стягивать свою петлю до тех пор, пока вся она не стянется в математическую точку.
К подобному «муравьиному» мышлению, обусловленному внутренними особенностями пространства, нужно привыкнуть, однако без него современную космологию не понять, поскольку общая теория относительности Эйнштейна, используя риманово обобщение уравнений Гаусса, определяет гравитацию как искривление пространства-времени.
До сих пор мы использовали слово «искривление» в широком смысле, а именно как форму изгибов. Однако теперь нам следует быть более осторожными, поскольку с муравьиной точки зрения искривление – это весьма тонкая штука, причём, возможно, он понимает под искривлением совсем не то, что мы. В частности, муравей, обитающий на поверхности цилиндра, будет настаивать, что его вселенная ни капельки не искривлена. С точки зрения внешнего наблюдателя, цилиндр выглядит подобно свёрнутому листу бумаги, однако геометрия небольших треугольников на цилиндре точно такая же, как и на евклидовой плоскости. Не верите? Тогда просто разверните скрученный лист. Длины и углы, измеренные на поверхности листа, не изменятся. Поэтому муравей, живущий на цилиндре, волен считать, что живёт на плоскости.
И математики с космологами совершенно с ним согласны. Тем не менее цилиндр в некотором отношении отличается от плоскости. Если муравей выйдет из своего домика на поверхность цилиндра и будет двигаться вдоль его образующей, через некоторое время он вернётся туда, откуда вышел, хотя путь, по которому он двигался, воспринимается им как прямая линия. В отличие от движения по плоскости, траектория его пути обогнёт цилиндр и вернётся в исходную точку. Таким образом, здесь есть топологическое различие, хотя гауссова кривизна не может его обнаружить.
Мы заговорили о цилиндре не только потому, что он всем знаком, но и потому, что у него имеется интересный двоюродный братец –
Плоский тор – это простейший пример общего метода, которым пользуются топологи для создания сложных пространств из простых. Возьмите одно или несколько простых пространств и склейте их, соблюдая определённые правила. Вспомните плоскую коробку с мебелью из «Икеи»: в ней куча досок и инструкции вида «Вставьте полку А в паз Б». С точки зрения математики, отдельные детали и инструкции – это всё, что вам требуется в жизни, если, конечно, вам не нужно собирать мебель на практике. Достаточно представить, как это было бы в реальности.
До изобретения космических путешествий в вопросе о форме Земли человечество сидело в одной лодке с муравьём. В отношении формы Вселенной у нас до сих пор ничего
