Изложить сколь-нибудь подробно блестящий, но доступный пониманию только специалистов доклад Сляпенарского вряд ли возможно. Суть его сводилась к следующему. Лет десять назад Сляпенарский наткнулся в одном из менее известных трудов Мебиуса на утверждение, поразившее его воображение. По словам Мебиуса, теоретически не существовало причин, по которым поверхность не могла бы утратить обе свои стороны, то есть, иными словами, стать "нульсторонней".
Разумеется, пояснил профессор, такую поверхность невозможно представить себе наглядно, также как квадратный корень из минус единицы или гиперкуб в четырехмерном пространстве. Но абстрактность понятия отнюдь не означает, что оно лишено смысла или не может найти применения в современной математике и физике.
Не следует забывать и о том, продолжал профессор, что те, кто никогда не видел лист Мебиуса и не держал его в руках, не могут представить себе даже одностороннюю поверхность. Немало людей с хорошо развитым математическим воображением отказываются верить в существование односторонней поверхности, даже когда лист Мебиуса у них в руках.
Я взглянул на профессора Симпсона, и мне показалось, что при этих словах он чуть заметно улыбнулся.
На протяжении многих лет, продолжал Сляпенарский, он упорно стремился построить нульстороннюю поверхность. По аналогии с известными типами поверхностей ему удалось изучить многие свойства нульсторонней поверхности. Наконец долгожданный день настал. Сляпенарский выдержал паузу, чтобы посмотреть, какое впечатление его слова произвели на слушателей, и окинул взглядом замершую аудиторию. Наконец настал день, когда его усилия увенчались успехом, и он построил нульстороннюю поверхность.
Подобно электрическому разряду, его слова обежали сидевших за столом. Каждый встрепенулся, удивленно посмотрел на соседа и уселся поудобнее. Профессор Симпсон яростно затряс головой. Когда Сляпенарский отошел в дальний конец столовой, где была приготовлена классная доска, Симпсон повернулся к соседу слева и шепнул: "Чушь несусветная! Либо Сляппи совсем спятил с ума, либо он просто вздумал подшутить над нами".
Мне кажется, что мысль о розыгрыше пришла в голову многим из присутствовавших. Я видел, как некоторые из них недоверчиво улыбались, пока профессор вычерчивал на доске сложные схемы.
После некоторых пояснений (их я полностью опускаю из опасения, что они были бы совершенно непонятны большинству читателей) профессор заявил, что хотел бы в заключение лекции построить одну из простейших нульсторонних поверхностей. К этому времени все присутствовавшие, не исключая и меня, обменивались понимающими улыбками. На лице профессора Симпсона улыбочка была несколько напряженной.
Сляпенарский достал из кармана пиджака пачку синей бумаги, ножницы и тюбик с клеем. Он вырезал из бумаги фигурку, до странности напоминавшую бумажную куклу: пять длинных выступов, или отростков, походили на голову, руки и ноги. Затем он сложил фигурку и стал аккуратно склеивать концы отростков. Процедура была весьма деликатная и требовала большой осторожности, выступы весьма хитроумно переплетались. Наконец, осталось только два свободных конца. Сляпенарский капнул клеем на один из них.
- Джентльмены, - сказал он, держа перед собой замысловатое сооружение из синей бумаги и поворачивая его так, чтобы все могли видеть, - сейчас вы увидите первую публичную демонстрацию поверхности Сляпенарского.
С этими словами профессор прижал один из свободных концов к другому.
Раздался громкий хлопок, как будто лопнула электрическая лампа, - и бумажная фигурка исчезла!
На мгновение мы замерли, а потом все как один разразились смехом и аплодисментами.
Разумеется, мы были убеждены, что стали жертвами тонкого розыгрыша. Но нельзя не признать, что исполнено все было великолепно. Как и другие участники банкета, я полагал, что Сляпенарский показал нам остроумный химический фокус и что бумага была пропитана особым составом, позволяющим поджечь ее трением или каким-то другим способом, после чего она мгновенно сгорела, не оставив и пепла.
Профессор Сляпенарский, казалось, был озадачен дружным смехом, и лицо его приобрело неотличимый от бороды цвет. Он смущенно улыбнулся и сел. Аплодисменты мало-помалу стихли.
Мы все столпились вокруг нашего гостя и наперебой шутливо поздравляли его с замечательным открытием. Старший из официантов напомнил нам, что для тех, кто хотел бы заказать напитки и посмотреть программу варьете, внизу заказаны столики.
Столовая постепенно опустела. В комнате остались только Сляпенарский, Симпсон и ваш покорный слуга. Два знаменитых тополога стояли у доски. Симпсон, широко улыбаясь, указал на один из чертежей:
- Ошибка в вашем доказательстве скрыта необычайно остроумно, профессор. Не знаю, заметил ли ее еще кто-нибудь из присутствующих.
Лицо Сляпенарского было серьезно.
- В моем доказательстве нет никакой ошибки, - заметил он не без раздражения.
- Да полно вам, профессор, - возразил Симпсон, - ошибка вот здесь.
Он коснулся пальцем чертежа:
- Пересечение этих линий не может принадлежать многообразию. Они пересекаются где-то вне многообразия. - Он сделал неопределенный жест вправо.
Лицо Сляпенарского снова покраснело.
- А я говорю вам, что никакой ошибки здесь нет, - повторил он, повысив голос, и медленно, тщательно выговаривая, как бы выстреливая слова, повторил шаг за шагом все доказательство от начала до конца, постукивая для пущей убедительности по доске костяшками пальцев.
Симпсон слушал с мрачным видом и в одном месте прервал Сляпенарского, возразив ему что-то. Сляпенарский мгновенно парировал возражение. Последовало еще одно замечание, но и оно не осталось без ответа. Я не вмешивался в их спор, поскольку он уже давно вышел за рамки моего понимания и воспарил к недоступным мне высям топологии.
Между тем страсти у доски накалялись, и оппоненты говорили все громче и громче. Я уже говорил о давнем споре Симпсона со Сляпенарским по поводу нескольких топологических аксиом. О них-то теперь и зашла речь.
- А я говорю вам, что ваше преобразование не взаимно-непрерывно и, стало быть, эти два множества не гомеоморфны, - кричал Симпсон.
На висках Сляпенарского вздулись вены.
- Не будете ли вы так любезны объяснить в таком случае, каким образом исчезло мое многообразие? - заорал он в ответ.
- Дешевый трюк, ловкость рук и ничего больше, - презрительно фыркнул Симпсон. - Не знаю, да и знать не хочу, как вы его делаете, но ясно одно: ваше многообразие исчезло не из-за того, что стало нульсторонним.
- Ах, не стало? Не стало? - процедил Сляпенарский сквозь зубы и, прежде чем я успел вмешаться, нанес своим огромным кулаком удар Симпсону в челюсть. Профессор из Висконсина со стоном упал на пол. Сляпенарский обернулся ко мне о грозным видом.
- Не вздумайте вмешиваться, молодой человек, - предупредил он меня. Профессор был тяжелее меня по крайней мере на сотню фунтов, и я, вняв предупреждению, отступил.
О дальнейшем я вспоминаю с ужасом. С налитыми кровью глазами Сляпенарский присел рядом с распростертой фигурой своего оппонента и принялся сплетать его руки и ноги в фантастические узлы. Он складывал своего коллегу из Висконсина так же, как полоску бумаги! Раздался взрыв - и в руках у Сляпенарского осталась только груда одежды.
Симпсон обрел нульстороннюю поверхность.
Сляпенарский поднялся, тяжело дыша и судорожно сжимая твидовый пиджак Симпсона. Потом он разжал руки и пиджаком накрыл остатки симпсоновского туалета, лежавшие на полу. Сляненарский что-то невнятно пробормотал и принялся колотить себя кулаком по голове.
Я сохранил достаточно самообладания, чтобы догадаться запереть дверь. Когда я заговорил, голос мой звучал чуть слышно:
- А его… можно вернуть?
- Не знаю, ничего не знаю, - завопил Сляпенарский. - Я только начал изучать нульсторонние поверхности, только начал. Не знаю, где он может быть. Ясно только одно: Симпсон сейчас находится в пространстве большего числа измерений, чем наше, скорее всего в четномерном пространстве. Бог знает куда его занесло.
Внезапно он схватил меня за лацканы пиджака и тряхнул так сильно, что я подумал, не настала ли теперь моя очередь.
- Я должен найти его, - сказал Сляпенарский. - Это единственное, что я могу сделать.
Он уселся на пол и принялся переплетать самым невероятным образом свои руки и ноги.
- Да не стойте вы как идиот, - прикрикнул он на меня. - Лучше помогите.
Я кое-как привел в порядок свою одежду и помог ему изогнуть правую руку так, чтобы она прошла под его левой ногой и вокруг шеи. С моей помощью ему удалось дотянуться до уха. Левая рука была изогнута аналогичным способом.
- Сверху, сверху, а не снизу, - раздраженно поправил меня Сляпенарский, когда я пытался помочь ему дотянуться левой рукой до кончика носа.
Раздался еще один взрыв, гораздо более громкий, чем тот, которым сопровождалось исчезновение Симпсона, и лицо мое обдал порыв холодного ветра. Когда я открыл глаза, передо мной на полу высилась еще одна груда одежды.
Я стоял и тупо смотрел на две кучи одежды, как вдруг сзади раздался приглушенный звук, нечто вроде "пффт". Оглянувшись, я увидел Симпсона. Он стоял у стены голый и дрожал. В лице его не было ни кровинки. Затем ноги его подкосились, и он опустился на пол. На его конечностях, там, где они плотно прилегали друг к другу, выступали красные пятна.
Я подкрался к двери, отпер ее и устремился вниз по лестнице: мне настоятельно требовалось подкрепиться. Потом мне рассказали о страшном переполохе в зале: за несколько секунд до моего появления Сляпенарский завершил свой прыжок из другого измерения.
В задней комнате я застал других членов общества "Мебиус" и администрацию клуба "Пурпурные шляпы" за шумным и бестолковым спором. Сляпенарский, завернувшись в скатерть как в тогу, сидел в кресле и прижимал к нижней челюсти носовой платок с кубиками льда.
- Симпсон вернулся, - сообщил я. - Он в обмороке, но думаю, что с ним все в порядке.
- Слава богу, - пробормотал Сляпенарский.
Администратор и владелец "Пурпурных шляп" так и не поняли, что произошло в тот сумбурный вечер, и наши попытки объяснить лишь усугубляли ситуацию. Прибытие полиции еще больше усилило неразбериху и панику.
Наконец нам удалось одеть пострадавших коллег, поставить их на ноги, и мы покинули поле брани, пообещав вернуться назавтра с нашими адвокатами. Управляющий, по-видимому, считал, что его клуб пал жертвой заговора каких-то иностранцев, и грозился взыскать с нас компенсацию за ущерб, нанесенный, по его словам, "безупречной репутации клуба". Оказалось, что таинственное происшествие, слух о котором разнесся по городу, послужило клубу отличной рекламой, и "Пурпурные шляпы" отказались от иска. Газеты прослышали о событиях того вечера, но воздержались от публикации каких-либо сообщений на эту тему, считая всю историю безвкусной стряпней некоего Фанштиля, пресс-агента клуба "Пурпурные шляпы".
Симпсон отделался легко, но у Сляпенарского оказался перелом челюсти. Я отвез его в госпиталь Биллингс, что неподалеку от университета, и в больничной палате далеко за полночь услышал от Сляпенарского о том, что, по его мнению, произошло. Симпсон, по-видимому, оказался заброшенным в более высокое (скорее всего в пятое) измерение, но проник туда не глубоко и попал в какую-то низину.
Придя в себя, он расцепил себе руки и тотчас же превратился в обычный трехмерный тор с наружной и внутренней поверхностями. Сляпенарскому повезло меньше. Он приземлился на какой-то склон. Вокруг ничего не было видно, со всех сторон, куда ни глянь, был неразличимый туман, но Сляпенарский отчетливо запомнил ощущение, будто он скатывается по склону холма.
Он пытался все время держаться за нос, но выпустил кончик носа до того, как достиг конца склона, и вернулся в трехмерное пространство, прервав своим появлением выступление Долорес.
Так ли было на самом деле, не знаю. Во всяком случае, таким представлялся ход событий Сляпенарскому.
Несколько недель он пробыл в госпитале, запретив пускать к себе посетителей, и я увидел его только в день выписки, когда проводил его на вокзал. Сляпенарский уехал поездом в Нью-Йорк, и с тех пор я его не видел. Через несколько месяцев он скончался от сердечного приступа. Профессор Симпсон вступил в переписку с вдовой профессора Сляпенарского в надежде разыскать хотя бы черновики работ своего покойного коллеги по теории нульсторонних поверхностей.
Сумеют ли топологи разобраться в черновиках Сляпенарского (разумеется, если их удастся найти), покажет будущее. Мы извели массу бумаги, но пока что нам удавалось построить только обычные двусторонние и односторонние поверхности. Хотя я помогал Сляпенарскому "складываться" в нульстороннюю поверхность, чрезмерное волнение стерло из моей памяти все детали.
Но я никогда не забуду замечание, которое обронил великий тополог в тот памятный вечер перед моим уходом.
- Счастье, - сказал он, - что Симпсон и я успели перед возвращением освободить правую руку.
- А что могло бы случиться? - спросил я недоумевающе.
Сляпенарский поежился.
- Мы бы вывернулись наизнанку, - сказал он.
Мартин Гарднер
Остров пяти красок
В Монровии, столице Либерии, есть только один магазин москательных товаров. Когда я сказал темнокожему клерку, сколько галлонов краски мне нужно, он поднял в удивлении кустистые брови и присвистнул:
- Не иначе, как вы собрались выкрасить гору, мистер!
- Нет, - заверил я его, - не гору, всего лишь остров.
Клерк улыбнулся. Он думал, что я шучу, но я действительно собирался выкрасить целый остров в пять цветов: красный, синий, зеленый, желтый и пурпурный.
Для чего мне это понадобилось? Чтобы ответить на этот вопрос, мне придется вернуться на несколько лет назад и объяснить, почему я заинтересовался проблемой "четырех красок" - знаменитой, тогда еще не решенной проблемой топологии. В 1947 г. профессор Венского университета Станислав Сляпенарский прочитал в Чикагском университете цикл лекций по топологии и теории относительности. Я в то время был преподавателем математического факультета Чикагского университета (теперь я уже доцент). Мы подружились, и мне выпала честь представить его членам общества "Мебиус" в тот вечер, когда он прочитал свою сенсационную лекцию о "нульсторонних поверхностях". Читатели, следившие за научными достижениями Сляпенарского, должно быть, помнят, что он вскоре после этого скончался от сердечного приступа в начале 1948 г.
Проблема четырех красок была темой моей докторской диссертации. Еще до визита Сляпенарского в США мы обменялись с ним несколькими письмами, обсуждая различные аспекты этой трудной проблемы. Гипотеза о четырех красках утверждает, что для правильной раскраски любой карты (при которой любые две сопредельные страны, имеющие общий отрезок границы, будут выкрашены в различные цвета, и две страны не считаются сопредельными, если их границы имеют лишь одну общую точку) достаточно четырех красок. Страны на карте могут быть любых размеров и самых причудливых очертаний. Число их также может быть произвольным. Гипотеза четырех красок была впервые высказана одним из создателей топологии, Мебиусом, в 1860 г., и, хотя над решением ее бились лучшие умы в математике, ее не удавалось ни доказать, ни опровергнуть.
По странному стечению обстоятельств проблема четырех красок была решена для всех поверхностей, кроме сферы и плоскости. В 1890 г. Р. Дж. Хивуд доказал, что для раскраски поверхности тора (поверхности бублика) необходимо и достаточно семи красок, а в 1934 г. Филип Франклин доказал, что шести красок достаточно для раскраски карт на односторонних поверхностях типа листа Мебиуса и бутылки Клейна.
Открытие Сляпенарским нульсторонних поверхностей возымело далеко идущие последствия для изучения свойств бутылки Клейна и произвело подлинный переворот в исследованиях по проблеме четырех красок. Как сейчас вижу мощную фигуру Сляпенарского, который, улыбаясь и теребя бородку, говорит: "Дорогой Мартин, если история топологии чему-нибудь и учит, то только тому, что следует ожидать самых неожиданных и удивительных связей между, казалось бы, совершенно не связанными между собой топологическими проблемами".
Развивая некоторые идеи Сляпенарского, я опубликовал в 1950 г. свою известную работу с опровержением "доказательства" Хивуда (полагавшего, что для правильной раскраски карты плоскости необходимо и достаточно пяти красок). По всеобщему убеждению топологов, для правильной раскраски плоскости или сферы достаточно четырех красок, но в свете новейших достижений становится ясно, что от строгого доказательства такого утверждения мы в настоящее время находимся дальше, чем когда-либо.
Вскоре после выхода в свет моей работы по проблеме четырех красок мне довелось завтракать в университетском клубе "Четырехугольник" с профессором Альмой Буш. Альма - один из ведущих наших антропологов и, несомненно, самая красивая женщина во всем университете. Хотя ей уже под сорок, выглядит она молодо и весьма женственна. Глаза у нее светло-серые, и когда Альма о чем-то думает, то имеет обыкновение чуть-чуть их щурить.
Альма только что вернулась из экспедиции на небольшой остров, расположенный в нескольких сотнях миль от побережья Либерии у западной кромки африканского материка. Она возглавляла группу студентов-антропологов, изучавших нравы и обычаи пяти племен, населявших остров. Племена эти представляли огромный интерес для антрополога, так как их обычаи варьировались в необычайно широких пределах.
- Остров разделен на пять областей, - сообщила мне Альма, вставляя сигарету в длинный мундштук из черной пластмассы. - Все они граничат друг с другом. Это важно для понимания тамошних нравов. Общность границ позволяет племенам поддерживать некое единство культур. Что с тобой, Марти? Почему у тебя такой изумленный вид?
Я застыл, так и не донеся вилку до рта, и медленно положил ее на стол.
- Потому, что ты рассказываешь невероятные вещи. Такого просто не может быть.
Альма была уязвлена:
- Чего не может быть?
- Пяти племен, имеющих общие границы. Это противоречит знаменитой проблеме четырех красок.
- Противоречит чему?
- Проблеме четырех красок, - повторил я. - Есть такая проблема в топологии. Хотя она никем не доказана и не опровергнута, никто не сомневается, что она верна.
Я принялся концом ложки чертить на скатерти, пытаясь объяснить Альме, в чем здесь дело. Альма быстро схватила общую идею.
- Может быть, у островных племен другая математика? - высказала она предположение, щурясь от дыма сигареты.
Я покачал головой.
- Математика, дорогая моя, едина для всех культур. Дважды два всегда четыре, даже в Африке.
Альма не разделяла моего мнения. Она сказала, что в математическом мышлении первобытных обществ имеются весьма значительные культурные "вариации". Лично ей известно, добавила она, одно племя, стоящее на крайне низком уровне развития, члены которого считают, что если к двум лодкам прибавить две лодки, то неизменно получится пять лодок.
- Значит, они просто не умеют считать, - заметил я.
- Так, как ты, - добавила Альма. В ее серых глазах прыгали смешинки.