на главную страницу ЛШСМ-2021 к списку курсов ЛШСМ-2021

Александр Александрович Гайфуллин

Гомологические сферы и алгоритмическая неразрешимость в топологии

А. А. Гайфуллин планирует провести 4 занятия.

Одной из ключевых проблем, определивших развитие топологии и геометрии в 20-м веке, стала знаменитая гипотеза Пуанкаре, утверждающая, что всякое односвязное компактное трехмерное многообразие без края топологически эквивалентно (строго говоря, гомеоморфно) стандартной трехмерной сфере. О трехмерном многообразии можно думать, как об объекте, который локально (в окрестности каждой точки) устроен как наше обычное трехмерное пространство. Ключевым в формулировке гипотезы является слово «односвязное», означающее, что в рассматриваемом многообразии всякая замкнутая кривая (петля) может быть непрерывно стянута в точку или, что эквивалентно, заклеена топологическим диском.

Гипотеза Пуанкаре была доказана в серии замечательных работ Г. Я. Перельмана 2002—2003 годов. Однако содержание курса будет связано не с доказательством этой гипотезы, а с ее возникновением. Изначально (в 1900 году) Анри Пуанкаре сформулировал свою гипотезу неправильно. Вместо условия односвязности он потребовал выполнения лишь более слабого условия, а именно, того, что каждая замкнутая кривая в многообразии должна заклеиваться ориентированной двумерной поверхностью (не обязательно диском!). В 1904 году Пуанкаре сам нашел контрпример к изначальной версии своей гипотезы и уточнил ее формулировку. Этот контрпример — трехмерное многообразие, называемое с тех пор гомологической сферой Пуанкаре, — будет главным объектом первой половины курса. Я расскажу о различных конструкциях сферы Пуанкаре, связанных с группой симметрии правильного икосаэдра, кватернионами, перестройками вдоль узлов и зацеплений, диаграммой Дынкина $E_8$.

Вторая половина курса будет посвящена 4- и 5-мерным гомологическим сферам и их связям с теорией групп и теоремами об алгоритмической неразрешимости в топологии. Я расскажу о принадлежащей М. Керверу характеризации фундаментальных групп 5-мерных гомологических сфер, теореме А. А. Маркова (младшего) об алгоритмической неразрешимости проблемы гомеоморфности для четырехмерных многообразий и теореме С. П. Новикова об алгоритмической нераспознаваемости пятимерной сферы, а также об их более современных следствиях и открытых проблемах в этой области.

Пререквизиты: несмотря на наличие слова «гомологические» в названии, никакого знакомства слушателей с теорией гомологий предполагаться не будет. Мне понадобятся только одномерные и (во второй половине курса) двумерные гомологии, которые легко определяются без общей теории, и я расскажу все необходимые мне факты о них. Полезно (но не обязательно) знакомство слушателей с понятием фундаментальной группы и (на интуитивном уровне) с понятием многообразия. А вот что будет по-настоящему нужно, так это уверенное знакомство с основами теории групп (смежные классы, нормальные подгруппы, теорема о гомоморфизме, классы сопряженности, группы перестановок).