Четвертое измерение

ИОГАНН КАРЛ ФРИДРИХ ГАУСС (1777–1855)

Гаусс, несомненно, один из самых выдающихся математиков всех времен. Еще ребенком он показал исключительный талант к математике, поэтому, несмотря на скромное происхождение юного гения, его обучение было профинансировано герцогом Вильгельмом Фердинандом. Так, в 1795 г. Гаусс начал изучать математику в университете Гёттингена. В возрасте 19 лет он решил одну из классических задач геометрии, показав, что правильный 17-сторонний многоугольник можно построить с помощью линейки и циркуля. Это была первая запись в его знаменитом научном дневнике, в который он заносил короткие заметки о своих самых важных открытиях. В 21 год он написал свой важнейший труд «Арифметические исследования». Гаусс стал известен всей Европе, когда с помощью вычислений определил орбиту астероида Цереры, используя свой метод наименьших квадратов. В 1807 г. он возглавил кафедру астрономии в Гёттингенском университете и был назначен директором обсерватории. Он сделал открытия во многих областях математики, в том числе в алгебре, теории чисел, дифференциальной геометрии, неевклидовой геометрии, математическом анализе, геодезии, астрономии, теории ошибок, а также в области физики, магнетизма, оптики и электричества. После его смерти король Ганновера Георг V назвал его принцем математики и распорядился выпустить памятную медаль в честь Гаусса.

Карикатура на Гаусса авторства Энрике Моренте.

Внутренние и внешние геометрии

В чем различие между внутренней и внешней геометрией поверхности? Внутренняя геометрия — это геометрия самой поверхности, которую могли бы описать существа, живущие на этой поверхности. Гаусс в письмах к своим коллегам упоминал гипотетическую моль, живущую в двумерном пространстве. Theorema Egregium, основная теорема теории поверхностей, утверждает, что гауссова кривизна определяется геометрией, которая присуща самой поверхности. Эта величина характеризует внутреннюю кривизну поверхности. Внешняя же геометрия отражает связь между поверхностью и внешним трехмерным пространством и определяет среднюю кривизну линий на поверхности.

Локально внутренние геометрии плоскости и цилиндра одинаковы, так как обе имеют гауссову кривизну, равную нулю. Если взять лист бумаги и соединить два противоположных конца, то получится цилиндр. Этот небольшой эксперимент изменяет геометрию (метрику) поверхности. Обе поверхности внутренне плоские, и существа, живущие на них, не смогли бы отличить одну от другой, если бы они не могли посмотреть на них снаружи. Вместе с этим в трехмерном пространстве плоскость не искривлена (ее средняя кривизна равна нулю), а цилиндр, средняя кривизна которого является положительным постоянным числом, искривлен.

Плоскость (К = 0, Н = 0); цилиндр радиуса r (К = 0, Н = 1/r > 0); сфера радиуса r(К = Н = 1/r² > 0).

Заметим, что внутренняя геометрия сферы, гауссова кривизна которой постоянна и положительна, отличается от внутренней геометрии плоскости. Вот почему жители сферы могут понять, что они живут на искривленной поверхности, не выходя за ее пределы. Это можно сделать, проверив, что сумма углов геодезического треугольника больше 180°. Гаусс пытался доказать это для поверхности Земли, но погрешность его измерений была слишком велика. Важным следствием этого является невозможность построения правильных карт поверхности Земли, сохраняющих геометрию (расстояния, кратчайшие пути, площади и направления). Более того, для большинства поверхностей значение гауссовой кривизны варьируется от точки к точке.