Wednesday, July 7, 2010

克莱因瓶(Klein bottle)与莫比乌斯带(Möbius strip)

克莱因瓶(Klein bottle)
数学领域中,克莱因瓶(Klein bottle)是指一种无定向性的平面,没有"内部"和"外部"之分。克莱因瓶最初是在1882年由德国数学家菲利克斯·克莱因提出的。克莱因瓶的结构非常简单,一个瓶子底部有一个洞,克莱因瓶的确就象是一个瓶子。但是它没有瓶底,它的瓶颈被拉长,然后似乎是穿过了瓶壁,最后瓶颈和瓶底圈连在了一起。如果瓶颈不穿过瓶壁而从另一边和瓶底圈相连的话,我们就会得到一个轮胎面。和我们平时用来喝水的杯子不一样,这个物体没有"边",它的表面不会终结。它也不类似于气球 ,一只苍蝇可以从瓶子的内部直接飞到外部而不用穿过表面(所以说它没有内外部之分)。

      
我们可以说一个球有两个面—外面和内面,如果一只蚂蚁在一个球的外表面上爬行,那么如果它不在球面上咬一个洞,就无法爬到内表面上去。轮胎面(环面)也是一样,有内外表面之分。但是克莱因瓶却不同,我们很容易想象,一只爬在"瓶外"的蚂蚁,可以轻松地通过瓶颈而爬到"瓶内"去——事实上克莱因瓶并无内外之分!在数学上,我们称克莱因瓶是一个不可定向的二维紧致流型,而球面或轮胎面是可定向的二维紧致流型。如果我们观察克莱因瓶的图片,有一点似乎令人困惑——克莱因瓶的瓶颈和瓶身是相交的,换句话说,瓶颈上的某些点和瓶壁上的某些点占据了三维空间中的同一个位置。但是事实却非如此。事实是:克莱因瓶是一个在四维空间中才可能真正表现出来的曲面,如果我们一定要把它表现在我们生活的三维空间中,我们只好将就点,只好把它表现得似乎是自己和自己相交一样。事实上,克莱因瓶的瓶颈是穿过了第四维空间再和瓶底圈连起来的,并不穿过瓶壁。因此图中表示的Klein Bottle只是一个示意图,而实际真正的Klein Bottle瓶颈与瓶壁是不相交的,因此Klein Bottle在三维空间中无法制造出来。而这些图实际上是四维Klein Bottle在三维的投影,这个网站Acme比较搞笑,它卖玻璃的Klein Bottle:
Our universe has only 3 spatial dimensions, so even Acme's dedicated engineers can't make a true Klein Bottle.
A photograph of a stapler is a 2-dimensional immersion of a 3-dimensional stapler. The true stapler has been flattened into the flatland of the photo. In the same way, our glass Klein Bottles are 3-D immersions of the 4-D Klein Bottle. Acme's Klein Bottle is a 3-dimensional photograph of a "true" Klein Bottle.
除了我们上面看到的克莱因瓶的模样,还有一种不太为人所知的"8字形"克莱因瓶(下图)。它看起来和上面的曲面完全不同,但是在四维空间中它们其实就是同一个曲面--克莱因瓶。


从另一个角度说,Klein Bottle是一个只能存在于4维空间的流形,尽管它本身只有2维:
A true Klein Bottle lives in 4-dimensions. But every tiny patch of the Klein Bottle is 2-dimensional. In this sense, a Klein Bottle is a 2-dimensional manifold which can only exist in 4-dimensions.

莫比乌斯带(Möbius strip)
莫比乌斯带是一种单侧、不可定向的曲面。因A.F.莫比乌斯(August Ferdinand Möbius, 1790-1868)发现而得名。把一条纸带的一段扭180度,再和另一端粘起来来得到一条麦比乌斯带的模型。

这也是一个只有一个面的曲面,但是和球面、轮胎面和克莱因瓶不同的是,它有边(注意,它只有一条边)。
如果沿着莫比乌斯环的中间剪开,将会形成一个比原来的莫比乌斯环空间大一倍的、具有正反两个面的环(在本文中将之编号为:环0),而不是形成两个莫比乌斯环或两个其它形式的环。
如果再沿着环0的中间剪开,将会形成两个与环0空间一样的、具有正反两个面的环,且这两个环是相互套在一起的(在本文中将之编号为:环1和环2),从此以后再沿着环1和环2以及因沿着环1和环2中间剪开所生成的所有环的中间剪开,都将会形成两个与环0空间一样的、具有正反两个面的环,永无止境……且所生成的所有的环都将套在一起,永远无法分开、永远也不可能与其它的环不发生联系而独立存在。

克莱因瓶和莫比乌斯带非常相像
如果我们把两条麦比乌斯带沿着它们唯一的边粘合起来,你就得到了一个克莱因瓶(当然不要忘了,我们必须在四维空间中才能真正有可能完成这个粘合,否则的话就不得不把纸撕破一点)。同样地,如果把一个克莱因瓶适当地剪开来,我们就能得到两条麦比乌斯带
可以说克莱因瓶是一个三度的麦比乌斯带。我们知道,在平面上画一个圆,再在圆内放一样东西,假如在二度空间中将它拿出来,就不得不越过圆周。但在三度空间中,很容易不越过圆周就将其拿出来,放到圆外。将物体的轨迹连同原来的圆投影到二度空间中,就是一个"二维克莱因瓶",即麦比乌斯带(这里的莫比乌斯带是指拓扑意义上的莫比乌斯带)。再设想一下,在我们的三度空间中,不可能在不打破蛋壳的前提下从鸡蛋中取出蛋黄,但在四度空间里却可以。将蛋黄的轨迹连同蛋壳投影在三度空间中,必然可以看到一个克莱因瓶。

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