Правильные многогранники

 

Рис. 1. Интарсии работы Фра Джовани да Верона, созданные для церкви Santa Maria in Organo в Вероне

Многогранником называется трехмерное тело, граница которого состоит из многоугольников: например, куб, прямоугольный параллелепипед, пирамиды, призмы и др. Эти многоугольники называются гранями, стороны, по которым они соединяются друг с другом (один с другим) – ребрами; ребра начинаются и заканчиваются в вершинах.

Правильным многогранником называется такой многогранник, у которого все грани равны и представляют собой равные правильные многоугольники, все ребра и все вершины также равны между собой. В то время, как правильных многоугольников существует сколько угодно, правильных многогранников ограниченное число.

Как правильные многоугольники начинаются с треугольника, так правильные многогранники начинаются с его аналога – тетраэдра (т. е., по-гречески, четырехгранника). У него минимально возможное число вершин и граней – тех и других по четыре, а ребер шесть (три вершины всегда лежат в одной плоскости, для объемного тела нужно поэтому не меньше четырех вершин; тремя же плоскими гранями нельзя ограничить конечный объем в пространстве). В каждой вершине сходятся три треугольных грани и, соответственно, по три ребра. Тетраэдр – это пирамида, причем самая простая – трехгранная (любая пирамида состоит из основания и боковых граней; пирамида называется n-гранной, если у нее n боковых граней; легко видеть, что у n-гранной пирамиды основание неминуемо должно иметь форму n-угольника). Все, что мы пока говорили о тетраэдре, применимо к любому тетраэдру, не обязательно правильному; у правильного же тетраэдра грани – это правильные треугольники.

Со следующим правильным многогранником вы хорошо знакомы – это куб. Если тетраэдр в определенном смысле аналогичен треугольнику, то куб – квадрату. Куб – это такой прямоугольный параллелепипед, у которого все грани – квадраты. Попробуйте, не глядя на картинку, сообразить, сколько у куба (и, на самом деле, у любого прямоугольного параллелепипеда) граней, сколько вершин, сколько ребер и по сколько граней и ребер сходятся в каждой вершине.

Ответ

Еще у одного правильного многогранника – октаэдра (т. е. восьмигранника) – нет аналогов в плоском мире, т. к. он немного похож на треугольник, а немного на квадрат. Октаэдр можно сделать из двух четырехгранных пирамид, склеив их основания. Грани правильного октаэдра являются правильными треугольниками. В каждой его вершине сходятся не три, как у тетраэдра и куба, а четыре грани. Форму октаэдра имеют, например, природные кристаллы алмаза.

Октаэдр тесно связан с кубом так называемым свойством взаимности: центры граней куба являются вершинами правильного октаэдра, а центры граней правильного октаэдра являются вершинами куба. Если соединять отрезками центры соседних граней куба, то эти отрезки станут ребрами октаэдра; если проделать ту же операцию с октаэдром, получится куб. Между прочим, исходя из этого, понятно, что число вершин октаэдра равно числу граней куба, и наоборот; более того, количества ребер у них совпадают.

Рис. 2. Октаэдр в кубе, куб в октаэдре

Как вы полагаете, что будет, если соединить отрезками центры соседних граней тетраэдра?

Ответ

Можно ли сформулировать какой-нибудь аналог свойства взаимности для правильных многоугольников?

Ответ

Между прочим, тетраэдр тоже родствен кубу. А именно, если выбрать такие четыре вершины куба, из которых никакие две не являются смежными, и соединить их отрезками, то эти отрезки образуют тетраэдр!

Рис. 3. Куб и тетраэдр

Самое важное свойство правильных многогранников, сразу обращающее на себя внимание – это их высокая степень симметричности. Определенное количество отражений вокруг разных плоскостей, а также целый ряд поворотов вокруг разных осей, переводят каждый из многогранников сам в себя. У каждого из них есть центр, через который проходят все эти плоскости симметрии и оси; вершины равноудалены от этого центра, это же верно для граней и ребер. Поэтому в каждый правильный многогранник можно вписать сферу, и около каждого из них можно описать сферу. (В этом плане, впрочем, они вполне аналогичны правильным многоугольникам, в каждый из которых можно вписать окружность и вокруг каждого из которых тоже можно описать окружность).

Сколько у куба, тетраэдра, октаэдра плоскостей симметрии? Сколько у каждого из них осей поворотов, переводящих многогранник сам в себя?

Ответ

Три упомянутых правильных многогранника были известны уже пифагорейцам, которые, понимая их замечательные математические свойства, догадывались, что эти тела каким-то образом должны быть связаны с устройством мира. По-видимому, Теэтет (V в. до н. э.) первым показал, что существует еще два правильных многогранника, а именно, додекаэдр (12-гранник) и икосаэдр (20-гранник). Додекаэдр состоит из правильных пятиугольников, которые сходятся по 3 в каждой вершине; икосаэдр – из правильных треугольников, которые сходятся по 5 в каждой вершине. Эти многогранники обладают свойством взаимности по отношению друг к другу. Можно показать, что никаких кристаллов в форме данных многогранников быть не может; тем не менее, в живой природе икосаэдры встречаются: такую форму имеют белковые оболочки некоторых вирусов (в частности, хорошо изученного вируса «табачной мозаики»).

Нетрудно видеть, что никаких других правильных многогранников сверх указанных пяти быть не может. В самом деле, в одной вершине должно сходится не меньше 3 граней. С другой стороны, эти грани должны иметь не больше 5 сторон, потому что, например, 3 шестиугольника, сходясь в одной точке и соединяясь сторонами друг с другом, будут лежать в одной плоскости и не образуют многогранного угла. У семиугольников и т. д. углы еще больше. В то же время, если грани четырехугольные, то их не может сойтись в одной вершине больше трех (нужно, чтобы двугранные углы при каждом ребре были бы равными): 4 квадрата, сходясь, будут лежать в одной плоскости. Если же грани треугольные, то их не может сойтись больше пяти: 6 правильных треугольников тоже будут лежать в одной плоскости. Таким образом, возможные варианты – это треугольники, сходящиеся по 3, 4 и 5, а также квадраты и пятиугольники, сходящиеся по 3. Все эти пять вариантов и реализованы в пяти известных правильных многогранниках.

Правильные многогранники носят также название платоновых тел, т. к. занимают важное место в философии Платона. Как и другие древние греки, он считал, что существует 4 первоэлемента – земля, вода, воздух и огонь. Развивая пифагорейскую концепцию о математическом устройстве Вселенной, Платон полагал, что каждый элемент имеет форму того или иного правильного многогранника: земле как самому устойчивому элементу соответствует куб, огню – самый «небольшой» многогранник с самыми острыми вершинами и ребрами, то есть тетраэдр; воде соответствует икосаэдр, а воздуху – октаэдр. Эти элементы – неделимые («атомы»), как в философии Демокрита; элементы могут превращаться друг в друга по определенным законам, связанным с сохранением тех треугольников, из которых сделаны: например, одно «тело» воздуха может превратиться в два «тела» огня, а одно «тело» воды – в два «тела» воздуха и одно – огня. (Сами треугольники при этом материальными не являются, поскольку плоские, тогда как материальные тела должны быть трехмерными). Форма же всей Вселенной соответствует пятому телу – додекаэдру. Таким образом, в пифагорейско-платоновском космосе торжествует математическая гармония, выражаемая «золотым сечением», тесно связанным с правильным пятиугольником, который и лежит в основе додекаэдра.

Построению и свойствам 5 правильных многогранников (а также доказательству того, что других не существует) посвящена тринадцатая – заключительная – книга «Начал» Евклида. Согласно комментарию неоплатоника Прокла, структура «Начал» соответствует устройству Вселенной по Платону: она начинается с самых исходных элементов – точек и прямых – чтобы в результате придти к построению мира в целом.

Иоганн Кеплер также полагал, что правильные многогранники лежат в основе устройства мира. Кеплер думал, что расстояния от Солнца до 6 известных в то время планет должны удовлетворять какому-то математическому закону. Гипотеза Кеплера заключалась в том, что если представить сферы, на которых лежат орбиты 6 планет с центром в Солнце, то в эти сферы последовательно вписываются и описываются около пяти правильных многогранников – октаэдра, икосаэдра, додекаэдра, тетраэдра и куба (в порядке удаления от Солнца).

Рис. 4. «Космографический кубок» Кеплера

Внимательно анализируя результаты наблюдений, Кеплер не нашел подтверждения своей идее, тем не менее, его убежденность в рационально-математическом характере устройства мира в конце концов привела его к открытию подлинных законов движения планет.

Иоганн Кеплер изучал так же так называемые полуправильные многогранники – составленные из нескольких правильных многоугольников.

Рис. 5. Изображение класса архимедовых тел (а) и класса платоновых тел (б) из книги Кеплера «Мировая гармония»

Математиков Нового времени правильные многогранники интересовали главным образом в связи с совокупностями (группами) тех преобразований – поворотов и симметрий – которые переводят многогранники сами в себя. Изучение групп преобразований оказалось важным для, казалось бы, совершенно не связанных с этим вопросов. Так, Феликсу Клейну принадлежит книга, название которой говорит само за себя: «Лекции об икосаэдре и решении уравнений пятой степени». В XX в. теория групп оказалась чрезвычайно важной для квантовой механики, изучающей молекулы, атомы и элементарные частицы: та или иная группа преобразований, оказывается, является определяющей для того или иного объекта микромира. Как отметил один из основателей квантовой механики Вернер Гейзенберг, Платон не так уж и ошибался, когда клал в основу элементов мироздания те или иные симметричные структуры.