Речь идет здесь о так называемом в геометрии принципе двойственности. Смотря по двухили трехмерности обсуждаемого пространства, этот принцип двойственности формулируется различно; но суть дела в обоих случаях—одна и та же. Его можно далее сформулировать еще обобщеннее, применительно к топологическому рассмотрению пространства. Но и тут суть дела не изменится.
Изложим[94] же вкратце принцип двойственности в его последовательных расширениях. Геометрические образования даются в современной геометрии, как известно, не в виде наглядных образов, а логическими определениями, причем эти последние строятся не по Аристотелю, чрез ближайший род и видовую разность, а путем соотношений и связей некоторых исходных логических символов. Таким образом, наглядное различие геометрических образований нисколько не обеспечивает различия соответственных определений. А если так, то далее два тождественных определения или две тождественные системы определений во всем дальнейшем ходе геометрической мысли будут давать вполне тождественные выводы, хотя эти выводы и будут относиться к двум разнородным наглядным областям. Они будут звучать по–разному, будучи выражены различно, но будут тождественны в своем формально–логическом строении; это последнее обстоятельство выразится в тождестве логических формул, выражающих в знаках тот и другой род выводов. Коль скоро первоисходные соотношения тождественны, а формальные правила обращений с этими формулами, правила чисто логические, одни и те же, то, как бы далеко ни были проведены наши выводы, мы заранее уверены во всегдашнем и полном параллелизме обоих рядов. А раз так, —нам нет надобности дважды проделывать один и тот же труд и выводить порознь тот и другой ряд, гораздо проще развернуть какой‑нибудь один из рядов и затем заместить в нем исходные наглядные образцы и их основные соотношения соответствующими им — из другого ряда. То, что будет получено таким замещением, окажется правильным, в этом мы уверены заранее.
Вообще говоря, в каждой данной области можно ожидать несколько таких рядов; по крайней мере эти ряды будут появляться и возрастать численно по мере осложнения выводов и соответственных геометрических образований. Но в пространстве известны два таких ряда, восходящие к самым начаткам и первооснованиям геометрии.
XXXV
Эти два ряда коренятся в принципе двойственности. А именно, на плоскости прямая линия и точка, со стороны формальных соотношений, ведут себя вполне симметрично и вполне заменяют друг друга. Формально–логически это связано с арифметическим фактом, тождественным у точки и у прямой. Каждый из этих элементов, в единичном числе, точно устанавливается или дается двумя элементами другого рода. Две точки вполне определяют прямую линию, а две прямые вполне определяют точку. Кроме того, прямая есть геометрическое место бесчисленного множества лежащих на ней точек, а точка — геометрическое место бесчисленного множества проходящих чрез нее прямых. Каждая точка прямой может быть линейно выражена чрез какие‑нибудь две из них; точно так же каждая прямая пучка может быть выражена тоже линейно, чрез какие‑либо две прямые того же пучка. Таким образом, всякое логическое соотношение, или логическая функция точек и прямых, если оно истинно, не изменит своей истинности после замены знака точки знаком линии и знака линии знаком точки: так как основные свойства прямой и точки формально тождественны, то, следовательно, в любом сложном соотношении точек и линий формально ничего не изменится, если мы под знаком точки и знаком линии везде будем разуметь обратное тому, что разумелось ранее. Напротив, если так преобразуемое соотношение было ложно, то и после преобразования оно не может стать истинным.
Полученные таким образом формальные соотношения, или геометрия в знаках, есть в сущности дипломатический язык; будучи вполне истинным, он, однако, избегает ответственности за наглядную сторону дела и высказывает всякое положение надвое, равно угождая как принимающим точку за исходный элемент плоскости, а прямую за производный, так и их противникам, видящим изначальность в линии, а производность —в точке. По этому самому эта дипломатическая речь на обычный язык наглядных образов может быть в каждом ее высказывании переводима двояко, и притом совсем по–разному. И тот и другой перевод будут каждый вполне истинен, но между собою, как теорема о наглядных образах, не будут иметь ничего общего. Таким образом, каждая теорема может быть удвоена без малейшего труда, — нельзя же считать за труд механическую замену нескольких слов другими, согласно точно определенным требованиям. Попросту говоря, к формально–логическому построению геометрии должен быть еще приложен словарик в десятка полтора–два слов (из них особенно потребны слова первого десятка). Словарь этот располагается в три столбца: первый столбец содержит буквенные символы и знаки логистики, второй — соответствующие тем и другим понятия точечной геометрии, а третий —соответственные понятия геометрии линейной. Тогда любое высказывание на одном из трех языков может быть без труда переведено на оба других языка: формально–логическое соотношение знаков протолковано на языке наглядных точечных или наглядных линейных образований, а высказывание той или другой наглядной области превращено в соответственное высказывание другой области или же возведено к своей формально–логистической схеме.
Этот словарик, если оставить сейчас нас мало занимающий столбец языка логистического, построен примерно так:
| Точечная геометрия | Линейная геометрия |
| точка | прямая |
| прямая | точка |
| лежит | проходит |
| соединяет | пересекает |
| проходит | лежит |
| пересекает | соединяет |
| трехугольник | трехсторонник |
| трехсторонник | трехугольник |
| вершина | сторона |
| сторона | вершина |
Чтобы пояснить примером, как именно делаются эти переводы, возьмем четыре точки.
Соединяя их всеми возможными способами, мы получим шесть прямых: четыре стороны и две диагонали четырехугольника. Если теперь провести прямую, соединяющую точки пересечения противоположных сторон четырехугольника, то диагонали засекут на этой прямой две точки, и они, как доказывается, будут гармоническими в отношении точек пересечения сторон. Из этой теоремы нетрудно вывести и двойственно сопряженную. А именно: возьмем четыре прямые (вместо четырех точек) и все шесть точек их взаимного пересечения (вместо шести прямых их соединения). Соединим теперь прямыми (вместо: возьмем точки пересечения) противоположные вершины: они пересекутся в одной точке (вместо соединения точек одною прямою). Тогда две другие точки пересечения противоположных сторон вместе с этой точкой определят две прямых (вместо пересечения в двух точках). Эти две прямые вместе с прежними диагональными прямыми образуют пучок, и пучок этот будет гармоническим.
Или вот еще пример: две чрезвычайно важные теоремы, Паскаля и Брианшона[95], были открыты независимо друг от друга и приблизительно на расстоянии двухсот лет; между тем, простым словесным переводом каждая из них превращается в другую. Теорема Паскаля относится к шестиугольнику: если имеется шесть точек на плоскости, то, соединяя прямою каждую из смежных пар (а какие пары считать смежными —это зависит от нашего произвола), мы получим шесть сторон шестиугольника, — хотя он может ничуть не походить на то, что в элементарной геометрии называется этим именем. Рассмотрим теперь точки пересечения пар противоположных сторон, т. е. в условленном порядке вершин — разделенных одною вершиною. Таким образом найдутся три точки пересечения. Теорема Паскаля состоит в том, что они лежат на одной прямой. Станем теперь переводить все сказанное на язык геометрии линейной. Итак, берем шесть прямых (вместо шести точек) и условливаемся о порядке их последовательности. Затем пересекаем их в порядке их последовательности (вместо соединения) и находим шесть вершин (вместо шести сторон). Противоположные вершины (т. е. разделенные одною стороною) соединяем теперь (вместо: пересекаем стороны) прямыми; найдутся тогда три прямые (вместо трех точек). Теорема Брианшона состоит в том, что все три прямые проходят чрез одну точку (вместо: лежат на одной прямой). Подобных примеров, как указано выше, можно дать в буквальном смысле сколько угодно, ибо любая теорема точечной геометрии может подвергнуться такому переводу на язык геометрии линейной. Но и на данных двух примерах достаточно ясно, что речь идет здесь отнюдь не о какой‑то тавтологии и даже не о том превращении, которое дается обратными теоремами; принцип двойственности ведет к геометрической истине существенно новой, и устанавливаемое им свойство геометрических образов, как наглядно представляемых, не имеет ничего общего с тем исходным, из которого было первоначально получено. Не зная принципа двойственности, об этом новом свойстве никоим образом нельзя было бы догадаться, и нужно было бы открывать его совершенно заново, как это, например, и случилось с Брианшоном.
XXXVI
В трехмерном пространстве принцип двойственности оказывается уже иным. Тут один из способов понимания пространства есть подход к пространству как точечному, а двойственно сопряженный ему подход считает первоначальным элементом пространства — плоскость. Тогда в приведенном выше словаре слово «прямая линия» должно везде быть заменено словом «плоскость», а производная от «прямая» или «сторона» — соответственными производными от «плоскость» или «грань»; так, вместо «многосторонник» надо поставить в словаре «многогранник» и т. п. Что же касается до прямой линии, то она тут есть образование всегда вторичное и определяемое либо соединением двух точек, либо пересечением двух плоскостей.