Млечный Путь, 2012 №02

Напомню читателю смысл этого фундаментального математического понятия. По сути оно очень просто. Утверждается, что «кривую» линию можно заменить последовательностью маленьких отрезков прямой. Причем таким образом, что основные математические свойства исходной линии (ее суммарная длина, области пространства, через которые она проходит) почти не изменяются. Важно подчеркнуть, что это «почти» может быть сделано таким маленьким, что отличие не будет обнаружено при любой заданной степени точности. И до середины XX в. считалось, что такую операцию можно проделать с любой кривой.

Дифференциал — это и есть тот отрезок прямой, которым заменяют истинную кривую на коротком участке с соблюдением указанного условия. Коротком настолько, что его называют «бесконечно малым». Естественно при этом, что дифференциал не имеет никакой внутренней структуры и равномерно заполнен точками.

Физическим следствием такой математической процедуры является появление принципа причинности — если в данной точке кривой лежит начало «отрезка дифференциала» (причина), то в его конце однозначно возникает другая точка — следствие.

Второй вариант — это вариант со «свободой воли». Квантовая неопределенность — это только другая форма этого понятия. Здесь именно она, таинственная, но реальная способность к «свободному выбору» значения пары «причина — следствие» определяет направления движения во времени и творит действительность.

Что же осознал Р. И. Пименов? Оказалось, что техническое в математике понятие дифференциала незаслуженно заняло место физико-философского принципа причинности. Почему это произошло?

Непрерывность и причинность

Я много лет пиджак ношу,
Давно потерся и не нов он.
И я зову к себе портного
И перешить пиджак прошу.

Б. Окуджава

Теперь перейдем к разбору сути эссе Р. И. Пименова. Оно посвящено обсуждению применимости традиционного математического аппарата к физической природе вещей.

Аппарат этот чрезвычайно сложен. Но, вслед за Р. И. Пименовым, нас будет интересовать «дифференциально-топологический этаж» математического здания. О дифференциале было сказано выше. Теперь рассмотрим еще два математических понятия — топология и гладкость.

В «Большом толковом словаре современного русского языка» Д. Н. Ушакова дано такое определение: «ТОПОЛОГИЯ, топологии, мн. нет, жен. (от греч. topos — место и logos — учение) (мат.). Часть геометрии, исследующая качественные свойства фигур (т. е. независящие от таких понятий, как длина, величина углов, прямолинейность и т. п.)». Более строго можно сказать, что топология — это конкретное средство объединения близких элементов множества в особые непрерывные подмножества.

Важно отметить, что современная топология имеет дело не только с геометрическими множествами (линиями, фигурами, телами), но и с любыми множествами.

Конкретизируя математические абстракции, можно отметить, что очень богато топологиями, например, множество живущих на Земле людей — человечество. Расы, языки, темпераменты, ментальности, профессии и многие другие виды общностей могут являться конкретными топологическими принципами объединения людей в реальные целостные подмножества.

В математике топология занимается изучением в самом общем виде проявлений непрерывности пространства, т. е. его свойств, которые остаются неизменными при непрерывных деформациях — изгибах, растяжениях, сжатиях, скручивании и т. п. без разрывов.

В отличие от метрических геометрий, в топологии не рассматриваются свойства объектов, характеризующиеся расстоянием между парой элементов (точек). И топологически эквивалентными оказываются, например, куб и сфера. Надуйте резиновый куб, и он превратится в сферу!

Теперь о гладкости — «главном герое» эссе Р. И. Пименова. Вот как характеризует он современное понимание гладкости в математике: «…дифференциальная топология установила, что гладкость является совершенно самостоятельным объектом, НЕ ВЫВОДИМЫМ и НЕ СВОДИМЫМ ни из, ни к другим конструкциям».

Дифференциальная топология — это раздел топологии, основанный на аппарате дифференциального исчисления. И именно аксиомы математического анализа (прежде всего, существование бесконечно малых величин и их свойства) и являются основаниями для описания гладкости пространства.