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《數學心》第299章 莫比烏斯帶和克萊因瓶
  拿一張白的長紙條,把一面塗成黑色,然後把其中一端扭轉180°,就成為一個莫比烏斯帶。用剪刀沿紙帶的中央把它剪開。紙帶不僅沒有一分為二,反而剪出一個兩倍長的紙圈。

  新得到的這個較長的紙圈,本身卻是一個雙側曲面,它的兩條邊界自身雖不打結,但卻相互套在一起。把上述紙圈,再一次沿中線剪開,這回可真的一分為二了,得到的是兩條互相套著的紙圈,而原先的兩條邊界,則分別包含於兩條紙圈之中,只是每條紙圈本身並不打結罷了。

  相反,拿一張白的長紙條,把一面塗成黑色,把其中一端360度翻一個身,粘成一個雙側曲面。用剪刀沿紙帶的中央把它剪開。紙帶不僅沒有一分為二,反而剪出兩個環套環的雙側曲面。

  莫比烏斯帶還有更為奇異的特性。一些在平面上無法解決的問題,卻不可思議地在莫比烏斯帶上獲得了解決。

  比如在普通空間無法實現的“手套易位“問題:人左右兩手的手套雖然極為相像,但卻有著本質的不同。我們不可能把左手的手套貼切地戴到右手上去;也不能把右手的手套貼切地戴到左手上來。無論你怎麽扭來轉去,左手套永遠是左手套,右手套也永遠是右手套!不過,倘若你把它搬到莫比烏斯帶上來,那麽解決起來就易如反掌了。

  在自然界有許多物體也類似於手套那樣,它們本身具備完全相像的對稱部分,但一個是左手系的,另一個是右手系的,它們之間有著極大的不同。

  克萊因瓶是一個不可定向的二維緊流形,而球面或輪胎面是可定向的二維緊流形。如果觀察克萊因瓶,有一點似乎令人困惑--克萊因瓶的瓶頸和瓶身是相交的,換句話說,瓶頸上的某些點和瓶壁上的某些點佔據了三維空間中的同一個位置。

  我們可以把克萊因瓶放在四維空間中理解:克萊因瓶是一個在四維空間中才可能真正表現出來的曲面。如果我們一定要把它表現在我們生活的三維空間中,我們隻好將就點,把它表現得似乎是自己和自己相交一樣。克萊因瓶的瓶頸是穿過了第四維度再和瓶底圈連起來的,並不穿過瓶壁。用扭結來打比方,如果把它看作平面上的曲線的話,那麽它似乎自身相交,再一看似乎又斷成了三截。但其實很容易明白,這個圖形其實是三維空間中的曲線。它並不和自己相交,而是連續不斷的一條曲線。在平面上一條曲線自然做不到這樣,但是如果有第三維的話,它就可以穿過第三維來避開和自己相交。只是因為我們要把它畫在二維平面上時,隻好將就一點,把它畫成相交或者斷裂了的樣子。克萊因瓶也一樣,我們可以把它理解成處於四維空間中的曲面。在我們這個三維空間中,即使是最高明的能工巧匠,也不得不把它做成自身相交的模樣;就好像最高明的畫家,在紙上畫扭結的時候也不得不把它們畫成自身相交的模樣。有趣的是,如果把克萊因瓶沿著它的對稱線切下去,竟會得到兩個莫比烏斯環。

  如果莫比烏斯帶能夠完美的展現一個“二維空間中一維可無限擴展之空間模型”的話,克萊因瓶只能作為展現一個“三維空間中二維可無限擴展之空間模型”的參考。因為在製作莫比烏斯帶的過程中,我們要對紙帶進行180°翻轉再首尾相連,這就是一個三維空間下的操作。理想的“三維空間中二維可無限擴展之空間模型”應該是在二維面中,朝任意方向前進都可以回到原點的模型,而克萊因瓶雖然在二維面上可以向任意方向無限前進。但是只有在兩個特定的方向上才會回到原點,並且只有在其中一個方向上,回到原點之前會經過一個“逆向原點”,真正理想的“三維空間中二維可無限擴展之空間模型”也應該是在二維面上朝任何方向前進,都會先經過一次“逆向原點”,再回到原點。而製作這個模型,則需要在四維空間上對三維模型進行扭曲。數學中有一個重要分支叫“拓撲學”,主要是研究幾何圖形連續改變形狀時的一些特征和規律的,克萊因瓶和莫比烏斯帶變成了拓撲學中最有趣的問題之一。莫比烏斯帶的概念被廣泛地應用到了建築,藝術,工業生產中。
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