Глава 7. ЗАНИМАТЕЛЬНЫЕ ТОПОЛОГИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ

Многим читателям этой книги известно, что лист Мёбиуса представляет собой геометрический курьез: поверхность, имеющую лишь одну сторону и один край. Изучением таких фигур занимается раздел математики, который носит название топологии. У людей, интересующихся математикой не всерьез, а от случая к случаю, может сложиться впечатление, что тополог — это праздный любитель забав, проводящий все свое время за конструированием листов Мёбиуса и других занимательных математических моделей. Если бы такие люди раскрыли любой современный учебник топологии, то они были бы весьма поражены, увидев страницы, сплошь испещренные математическими символами, среди которых изредка встречаются картинки или чертежи. Топология и в самом деле возникла из рассмотрения геометрических головоломок, но сейчас она давно уже разрослась в непроходимые дебри абстрактной теории. В наши дни топологи с подозрением относятся к теоремам, при доказательстве которых приходится использовать наглядные представления.

Тем не менее серьезные топологические исследования служат неисчерпаемым источником занимательных моделей самого необычайного свойства. Рассмотрим, например, двойной лист Мёбиуса.

Он получится, если наложить друг на друга две полоски бумаги, перекрутить их, повернув как единое целое на пол-оборота, и соединить концы так, как показано на рис. 28.

Рис. 28 Двойной лист Мёбиуса можно сделать из двух полосок бумаги (слева), перекрутив их на полоборота и склеив так, как показано на рисунке справа.

На первый взгляд кажется, что в результате мы получаем два вложенных друг в друга листа Мёбиуса. В самом деле, просунув палец между полосками бумаги и обводя им вокруг них до тех пор, пока не возвратитесь в исходную точку, вы «докажете», что фигура состоит из двух отдельных лент. Насекомое, заползшее в щель между бумажными лентами, могло бы совершать такое «кругосветное путешествие» до бесконечности. При этом оно всегда ползало бы по одной полоске бумаги, спинка его касалась бы другой полоски, и ему нигде не удалось бы найти точку, в которой «пол» сходится с «потолком». Отсюда наделенное разумом насекомое заключило бы, что оно путешествует между поверхностями двух отдельных полосок.

Но представим себе, что наше насекомое оставило на полу метку и совершает обход вокруг полосок до тех пор, пока не встретит ее снова. Тогда оно обнаружит, что метка находится не на полу, а на потолке и что необходимо обойти еще раз вокруг полосок, чтобы метка снова очутилась на полу! Насекомое вряд ли должно обладать недюжинным воображением, чтобы понять, что и пол и потолок образуют одну сторону одной-единственной полоски. [Еще забавнее допустить, что разумное насекомое строит по обеим сторонам ленты-улицы шарообразные дома и, как полагается, вешает на них номера-указатели — по правой стороне четные, а по левой нечетные. Казалось бы, задача простая. Но, начав свою операцию с некоторого места — площади, где поставлен двумерный памятник Мёбиусу, — оно будет весьма обескуражено, когда, обойдя всю «улицу», вернется на площадь с другой стороны! С небывалой трудностью встретится в таком двумерном городе ГАИ: как установить в нем правостороннее движение?] То, что на первый взгляд казалось двумя вложенными друг в друга лентами, на самом деле представляет собой одну большую ленту. Но коль скоро вы развернули модель, превратив ее в одну большую ленту, перед вами встает хитроумная задача: как вернуть ленте ее первоначальный вид?

Когда наша модель имеет вид двойной ленты, два ее края идут параллельно друг другу и описывают два полных оборота. Представим себе, что эти края склеены, а сама лента сделана из тонкой резины. Тогда мы получим трубку, которую можно раздуть и превратить в тор (так топологи называют обычный бублик). Склеенные края образуют на поверхности тора замкнутую кривую: намотанную на тор спираль, состоящую из двух витков. Это означает, что, разрезав тор вдоль такой кривой, мы получим двойной лист Мёбиуса — это не что иное, как обыкновенная лента, концы которой перед тем, как их склеить, перекрутили четыре раза (каждый поворот — на 180°). Тор можно превратить в ленту, концы которой повернуты относительно друг друга на любое четное число полуоборотов, но его нельзя разрезать так, чтобы он превратился в ленту, которую перекрутили нечетное число раз. Это связано с тем, что тор — поверхность двусторонняя. Из лент двусторонними являются лишь те, которые перекручены четное число раз (напомним, что, перекручивая ленту, мы каждый раз поворачиваем ее концы на 180° относительно друг друга). Двусторонние поверхности можно получить, разрезая односторонние, хотя обратное невозможно. Если же мы хотим получить односторонние ленты (ленты с нечетным числом перекручиваний на пол-оборота каждое), разрезая поверхность без края, то нам следует обратиться к разрезанию бутылки Клейна.

Бутылка Клейна представляет собой замкнутую одностороннюю поверхность без края, и ее можно рассечь на два листа Мёбиуса, каждый из которых будет зеркальным отображением другого.

Обычный лист Мёбиуса получают, склеивая концы перекрученной на пол-оборота ленты. Можно ли растянуть лист Мёбиуса так, чтобы его край принял форму треугольника? Оказывается, можно.

Первым, кто придумал такую модель, был Брайан Таккерман, один из четырех основоположников искусства складывать флексагоны (см. главу 1). На рис. 29 показано, как следует разрезать, сложить и склеить лист бумаги, чтобы построить модель Таккермана.

Рис. 29 Лист Мёбиуса с треугольным краем, придуманный Брайаном Таккерманом. Перечертив изображенную на этом рисунке выкройку в увеличенном масштабе, можно склеить модель, показанную вверху.

Для изготовления модели необходимо проделать следующие операции: 1) вырезать выкройку фигуры из бумаги; 2) перегнуть ее вдоль сплошных линий так, чтобы ребро сгиба было обращено острием вверх; 3) перегнуть выкройку вдоль пунктирных линий так, чтобы острие сгиба было обращено вниз; 4) намазав клеем четыре клапана, склеить выкройку так, чтобы отрезки, обозначенные одинаковыми буквами, совпали. Сплошные линии на поверхности получившегося многогранника образуют треугольный край листа Мёбиуса.

Поверхности могут быть не только односторонними и двусторонними. С точки зрения топологии, они могут отличаться друг от друга числом своих краев и их устройством. Поскольку ни число краев, ни их структуру нельзя изменить, деформируя поверхность, они называются топологическими инвариантами. Рассмотрим поверхности, имеющие не более двух краев. Будем считать, что краем могут быть либо простые замкнутые кривые, либо кривые, имеющие форму обычного простого узла. При таком предположении можно указать следующие 16 типов поверхностей (сюда не входят такие поверхности без края, как сфера, тор и бутылка Клейна):

Односторонние поверхности с одним краем

1. Край имеет форму простой замкнутой кривой.

2. Край «завязан узлом».

Двусторонние поверхности с одним краем

3. Край — простая замкнутая кривая.

4. Край «завязан узлом».

Односторонние поверхности с двумя краями

5. Оба края — простые замкнутые кривые, не зацепленные друг за друга.

6. Оба края — простые замкнутые кривые, зацепленные друг за друга.

7. Оба края завязаны в узел, но не зацеплены друг за друга.

8. Оба края завязаны в узел и зацеплены друг за друга.

9. Один край простой, другой завязан узлом; между собой края не зацеплены.

10. Один край простой, другой завязан узлом; края зацеплены.

Двусторонние поверхности с двумя краями

11. Оба края — простые замкнутые кривые, не зацепленные друг за друга.

12. Оба края — простые замкнутые кривые, зацепленные друг за друга.

13. Оба края завязаны в узел, между собой не зацеплены.

14. Оба края завязаны в узел и зацеплены друг за друга.

15. Один край простой, другой завязан в узел; друг за друга края не зацеплены.

16. Один край простой, другой завязан в узел; края зацеплены.

Построить бумажные модели всех этих шестнадцати типов поверхностей нетрудно. Модели поверхностей 1 — 12 изображены на рис. 30, а модели остальных четырех поверхностей — на рис. 31.

Рис. 30 Бумажные модели поверхностей 1-12.

Рис. 31 Бумажные модели поверхностей 13–16.

Если некоторые из этих моделей определенным образом разрезать, то получатся довольно неожиданные результаты. Почти все, кому случалось играть с листом Мёбиуса, знают, что, разрезав его вдоль на две половины, мы получим не два отдельных листа (как можно было бы ожидать), а один большой лист. (Этот большой лист перекручен на четыре пол-оборота, следовательно, из него можно сделать двойной лист Мёбиуса, о котором мы уже говорили.) Менее известно, что если продольный разрез совершать так, чтобы он проходил от края на расстоянии одной трети ширины листа, то, вернувшись в исходную точку, мы обнаружим, что лист Мёбиуса распался на два листа Мёбиуса: большой и сцепленный с ним лист меньших размеров.

Разрезав поверхность 12 на две половины вдоль полоски, мы получим две сцепленные между собой ленты одинаковых размеров, каждая из которых является точной копией разрезанной. При разрезании поверхности 2 на две половины получается большая лента, завязанная узлом. Этому фокусу была посвящена специальная книжка, вышедшая в Вене в восьмидесятых годах прошлого века, которая мгновенно разошлась. В книжке раскрывался секрет, как, не прибегая к магическим трюкам и волшебству, завязать в узел замкнутую ленту.

Когда мы говорим, что два края «зацеплены», мы имеем в виду, что они соединены так же, как два звена в цепи. Чтобы звенья можно было разнять, одно из них необходимо распилить, а через образовавшееся отверстие протащить другое. Однако две замкнутые кривые могут быть зацеплены так, что для того, чтобы их разнять, не обязательно провести одну из них через отверстие в другой. Проще всего это сделать так, как показано на рис. 32 (верхние кривые).

Рис. 32 Эти сцепленные друг с другом замкнутые кривые можно разделить, не разрывая ни одной из них и не протаскивая другую в образовавшийся зазор. Верхние кривые можно разделить, пропустив дважды перекрученную кривую через нее же в точке А.

Эти кривые можно разделить, пропустив одну из лент через себя в точке А.

Три замкнутые кривые, изображенные на рис. 32 внизу, нельзя отделить друг от друга, хотя они и не связаны между собой. Если удалить любую из кривых, то две оставшиеся окажутся свободными. Если сцепить любые две кривые, то свободной окажется третья кривая. Иногда такие кольца называют кольцами Борромео, поскольку они были изображены на гербе семейства Борромео, жившего в Италии эпохи Возрождения. Мне не известно, как построить бумажную модель поверхности без самопересечения, у которой два или большее число краев устроены так, что их нельзя разделить, хотя они и не зацеплены. Может быть, кому-нибудь из остроумных читателей удастся построить такую модель.

* * *

Интересную модель двойного листа Мёбиуса можно сделать из жесткого пластика. На такой модели особенно легко описать полный оборот пальцем, просунув его между «двумя» лентами.

Один из читателей предложил изготовить модель из гибкого белого пластика, а затем в промежуток между «полосками» вложить прокладку из красного пластика. Когда красную прокладку вынимают, превращение двух белых лент в одну кажется особенно удивительным, поскольку до этого хорошо было видно, как красная прокладка всюду разделяла то, что можно было принять за две отдельные ленты. Концы красной прокладки нужно не склеивать, а просто накладывать друг на друга, иначе красная лента окажется зацепленной за белую и ее нельзя будет вытащить.

Красная прокладка в такой модели принимает форму листа Мёбиуса. Точно так же всякую неориентируемую (одностороннюю) поверхность можно накрыть так называемой «двулистной» двусторонней поверхностью. Например, бутылку Клейна можно полностью накрыть тором, половина которого должна быть вывернута наизнанку. Как и при накрывании листа Мёбиуса, кажется, что эта поверхность состоит из двух отдельных поверхностей, вложенных одна в другую. Проколов такую поверхность в любой точке, мы обнаружим, что внутренняя поверхность отделена от наружной поверхностью бутылки Клейна. Тем не менее и внутренняя и наружная поверхности являются частями одного и того же тора.[14]

Примечания:

1

Кемени Дж. Д., Снелл Дж. Л., Томсон Дж. Л. Введение в конечную математику. — М.: ИЛ, 1963.

14

Гильберт Д., Кон-Фоссен С. Наглядная геометрия: 2-е изд.. — М.: Гостехтеоретиздат, 1951, стр. 318.