Удивительная физика. Магия, из которой состоит мир

Любовные узлы остаются на удивление распространенными и в современном обществе. Многие церемонии бракосочетания включают в себя ритуальное переплетение рук или что-нибудь в этом роде, да и обручальные кольца, будучи замкнутыми петлями, тоже символизируют соединения и нерушимые связи. Огромное множество замков, развешанных парочками по мостам всего мира, говорит о том, что в любовную магию по-прежнему верят очень многие.

В физике узлы имеют историю не столь древнюю, но не менее почетную. Началось все с физического наблюдения того факта, что кольца дыма – например выпускаемые волшебником из трубки – переносят всевозможные возмущения воздуха. Они могут колебаться и растягиваться, но, как кажется, никогда не разрываются, как будто их защищает некое заклятие. Физический механизм этого явления объяснил в XIX веке лорд Кельвин. Когда волшебник выдыхает кольцо дыма, он создает в воздухе вихрь, похожий на торнадо, верхний и нижний концы которого соединены так, что образуется кольцо. Дым оказывается заключен внутри этого вихря и позволяет увидеть, куда тот летит. Кельвин разработал соответствующую модель, используя некоторые упрощающие предположения относительно свойств воздуха – в частности, считая его вязкость нулевой. В рамках этой модели он смог математически доказать, что вихрь, который удается замкнуть в кольцо, будет существовать вечно. На самом деле у воздуха есть небольшая вязкость, вследствие чего кольца дыма рано или поздно рассеиваются. Тем не менее они существуют достаточно долго, чтобы их можно было использовать в одном весьма впечатляющем фокусе. Возьмите картонную коробку, прорежьте в ее стенке круглое отверстие диаметром десять сантиметров и наполните коробку дымом. Если после этого сильно ударить по бокам коробки, вы можете добиться того, что из нее вылетит кольцо дыма, такое устойчивое, что им можно сбивать бумажные стаканчики на расстоянии метров пяти.

Математические узлы подобны тем, что вы завязываете на ботинках, за исключением того, что у них, как и у колец дыма, свободные концы соединены и образуют замкнутую петлю. Кольцо дыма принимает форму простейшего узла, называемого тривиальным, – потому что он даже не завязан. Следующий по сложности узел – первый, который мы можем естественно завязывать. Он называется трилистником и часто встречается в кельтских орнаментах: например, он украшает «Келлскую книгу» VIII века, рунические камни XI века из шведской деревни Фунбо и созданную в XX веке обложку музыкального альбома Led Zeppelin IV. Друг Кельвина, математик Питер Гатри Тэйт, вдохновившись его работой, взялся за составление таблицы всех возможных узлов. Здесь приведена часть его таблицы узлов:

Таблица узлов

Трилистник находится в верхнем ряду, вторым слева. Как его ни рисуй, в этом узле нить должна пересекаться с самой собой не менее трех раз. Это пример «топологического» свойства. Топология – это раздел математики, занимающийся изучением форм. Считается, что две формы имеют одинаковую топологию, если одна может быть преобразована в другую без разрезов и соединений. Например, трубка волшебника имеет такую же топологию, что и кольца дыма, которые из нее вылетают: обе эти формы содержат по одному отверстию. Хотя эти предметы выглядят совершенно по-разному, их формы могут быть преобразованы одна в другую без разрезов и соединений.

Часто говорят, что самой первой топологической задачей была задача о семи мостах Кёнигсберга. В 1736 году мэр Гданьска рассказал в письме к легендарному математику Леонарду Эйлеру о головоломке, озадачившей жителей близлежащего Кёнигсберга. В этом городе четыре участка суши соединялись семью мостами. У горожан имелось множество маршрутов для прогулок по городу, но был один маршрут, по которому им особенно хотелось, но никак не удавалось пройти: маршрут, проходивший по каждому из мостов один, и только один, раз. Построение такого маршрута – задача топологическая: мосты можно изгибать или растягивать, острова можно увеличивать или сжимать, и это не меняет задачи. Она изменится, только если разрушить один из мостов или, наоборот, построить новый. Здесь показана оригинальная схема мостов, нарисованная Эйлером. Вам будет интересно попытаться решить эту задачу самостоятельно. Эйлер, однако, так и не нашел ее решения – вместо этого он доказал, что решение невозможно.