Страница 21 из 47
Вот как выглядит тор после того, как его вывернули наизнанку. Однако что это? Ленты теперь сцеплены! Но два кольца невозможно сцепить, не разрезая и не склеивая хотя бы одно из них. Что-то здесь не так! Что именно?
Тор действительно можно вывернуть наизнанку через проделанное в нем отверстие, но ленты от этого не станут сцепленными. При выворачивании тора наружная и внутренняя ленты меняются местами.
После того как тор вывернут наизнанку, малая лента (меридиан) растягивается в большую (параллель), а большая сжимается в малую. Ленты по-прежнему остаются несцепленными. Объясняется кажущийся парадокс неожиданно просто: художник нарисовал вывернутый тор так, как подсказывала ему интуиция, а не так, как тот выглядит на самом деле.
Резиновую модель тора, например велосипедную камеру, нелегко вывернуть наизнанку через дырочку, так как камеру при этом необходимо очень сильно растягивать. Гораздо легче вывернуть тор, сделанный из мягкой ткани. Сложите квадратный кусок ткани пополам и сшейте края так, чтобы получилась трубка.
Согните трубку в кольцо и сшейте противоположные концы так, чтобы получился тор. В разглаженном виде такой тор будет иметь форму квадрата (сложенного в 4 раза исходного квадрата). «Дыру» следует прорезать по горизонтали в верхнем слое ткани, тогда вывернуть тор будет особенно легко.
Итак, вывернем тор наизнанку через прорезь. Размеры его от этого не изменятся, но прорезь из горизонтальной превратится в вертикальную. Рисунок ткани, если таковой имеется, также повернется на 90°. Иначе говоря, при выворачивании параллели тора превратятся в меридианы, а меридианы — в параллели.
Чтобы своими глазами убедиться в этом, начертите одним цветом параллель, а другим — меридиан.
После выворачивания тора наизнанку обе окружности поменяются местами.
Наглядно представить себе все этапы деформации тора при выворачивании его наизнанку нелегко.
Рисунки, изображающие один за другим все этапы этой операции, приведены в статье Альберта Такера и Герберта Бей л и «Топология» в Scientific American за январь 1950 г.
С тором связано много других парадоксов. Пусть, например, тор с дырой сцеплен с тором без дыры.
Может ли один из торов «проглотить» другой так, чтобы тот оказался целиком внутри него? Оказывается, может. Подробности приведены в моей статье, опубликованной в мартовском номере журнала Scientific American за 1977 г. Другие парадоксы, связанные с торами, вы найдете в моих статьях, опубликованных в том же журнале в декабре 1972 г. (о заузленных торах) и в декабре 1979 г.
Венди решила купить себе кожаный браслет.
В магазине ей понравились два браслета. Каждый из них был сделан из трех ремешков: один сплетен из ремешков, другой — гладкий.
Венди. Сколько стоит плетеный браслет?
Люк. Пять долларов, мадам, но, к сожалению, он уже продан.
Венди. Какая жалость! А нет ли у вас еще одного такого браслета?
Люк. Есть, вот он перед вами.
Венди. Да, но ведь этот браслет не плетеный, а гладкий.
Люк. С удовольствием заплету его для вас.
Хотя в это трудно поверить, Люк сплел браслет за полминуты, не разрезав ни одного ремешка! Вот как он начал.
Самое удивительное в плетеном браслете, который так понравился Венди, — это то, что «косу» можно заплести даже в том случае, если концы «прядей» скреплены с двух сторон. Иначе говоря, плетеный браслет топологически эквивалентен гладкому. Последовательные этапы плетения браслета изображены ниже. Ремешки в таком браслете перекрещиваются 6 раз. Удлиняя их, можно заплетать косы с любым числом перекрещиваний, кратным 6. Если вы захотите сплести себе браслет или пояс, замочите предварительно кожу в теплой воде, чтобы она стала мягче.
Косы такого рода можно заплетать не только из трех, но и из большего числа прядей. Более подробно о таких косах рассказывается в статье А. Г. Шепперда «Косы, которые можно заплести из прядей, скрепленных с обоих концов»[13]. См. также главу «Теория групп и косы» в моей книге «Математические головоломки и развлечения»[14]
Большинство людей видят в таком браслете лишь еще один топологический курьез. В действительности же речь идет о вещах несравненно более важных и интересных. Математик Эмиль Артин построил даже теорию кос, воспользовавшись для этого аппаратом теории групп.
Элементом группы является схема переплетения прядей, операция состоит в последовательном плетении двух схем, а элементом обратным данной схеме, — зеркально-симметричная схема. Косы служат великолепным введением в теорию групп и преобразований.
(Элементарное введение в теорию кос можно найти в статье Артина «Теория кос»[15].)
Пат поднимался по узкой тропинке, ведущей к вершине горы. Он отправился в путь в 7 00 утра и в тот же день достиг вершины в 7.00 вечера.
Переночевав на вершине, Пат на следующее утро в 7.00 пустился в обратный путь по той же тропинке.
В тот же день в 7.00 вечера Пат спустился в долину, где встретил своего преподавателя топологии миссис Клейн.
М-с Клейн. Рада видеть вас, Пат. Известно ли вам, что какую-то точку своего маршрута вы вчера и сегодня миновали в одно и то же время?
Пат. Должно быть, вы разыгрываете меня, миссис Клейн! Такого не может быть! Я шел с различной скоростью и даже останавливался на привал, чтобы отдохнуть и перекусить.
Но миссис Клейн оказалась права.
М-с Клейн. Представьте себе, что у вас есть двойник, который начинает спускаться в тот самый момент, когда вы начинаете восхождение. Независимо от того, с какой бы скоростью ни проходил он отдельные участки маршрута, вы все равно с ним встретитесь.
13
Proceedings of the Royal Society, 1962, A265, pp. 229–244
14
См. сноску на с. 44, с 358–370.
15
The Mathematical Teacher, may 1959.