克莱因瓶是个啥?为什么说三维空间里无法造出真正的克莱因瓶?

克莱因瓶是个啥?为什么说三维空间里无法造出真正的克莱因瓶?

这种具有单侧曲面的二维环状结构由数学家奥古斯特·莫比乌斯(August Ferdinand Mobius)于1858年提出,所以人们将其称为莫比乌斯带(Mobius Band)。顺便讲一下,由于莫比乌斯带只有一个面,因此人们常将动力机械中的皮带做成这种形状,这样就可以皮带就不会只是磨损一面了。

很明显,莫比乌斯带是有边缘的,现在想象一下,假如我们取两个莫比乌斯带,然后再使用双面带将它们的边缘完全连接起来,会发生什么?

假如我们真的能够这样做,那么我们就可以得到一个封闭的结构(如上图所示)而由于莫比乌斯带是没有正反面之分的,因此我们得到的这个封闭结构也就没有内外之分,这就意味着,一个物体可以在无需穿过这个结构表面的情况下,直接从其内部出来(或从外面进去),就像下图这样。

是的,这种封闭结构就是一个克莱因瓶,它其实就是莫比乌斯带在更高维度的拓展,那么这是否就意味着我们能够造出克莱因瓶呢?答案是否定的,因为在我们所在的三维空间里,根本就无法造出一个真正的克莱因瓶。

为什么说三维空间里无法造出真正的克莱因瓶?

在克莱因瓶这个概念提出之后,很多人都对这种不分内外的瓶子产生了浓厚的兴趣,人们根据其原理,还造出了像模像样的“仿克莱因瓶”,例如下图这种瓶子。

可以看到,这种“仿克莱因瓶”,虽然看上去似乎可以在无需穿过瓶子表面的情况下从其内部出来(或从外面进去),但实际上,它们瓶颈与瓶身却是相交的,也就是说,这种瓶子其实是“自己穿过了自己的表面”,而真正的克莱因瓶却不是这样子的。

实际上,这其实就是维度的限制,我们再来想象一下,在一个二维的平面中,假设有一条直线将这个平面分为了两个区域,然后这两个区域中各自都有一个点(A和B)。

如上图所示,如果我们想在这个二维的平面中将A点和B点连接起来,就必然会穿过中间的那一条直线,那有没有办法不穿过那条直线而将A点和B点连接起来呢?当然有办法,我们只需要将这个二维平面卷起来就可以“跳”过那条直线。

同样的道理,想要在三维空间中将两个莫比乌斯带的边缘完全连接起来,就必然会穿过莫比乌斯带的表面,正是因为如此,三维空间里才无法造出真正的克莱因瓶,只有在更高维度的空间中,我们才可以“跳”过莫比乌斯带的表面,直接两个莫比乌斯带连接起来,进而造出真正的克莱因瓶。

结语

人类之所以能够建立辉煌的文明,有一个重要的原因就是人类的想象力,这种独特的能力可以让人类根据已知的现象,想象出现实世界里不存在的事物,从而使人类具备了强大的创造力。克莱因瓶其实就是人类思考高维空间时想象出来的事物,它是否能够造出并不是很重要,重要的是人类能够想到,或许在不远的未来,人类真的能够揭开高维空间的奥秘。

好了,今天我们就先讲到这里,欢迎大家关注我们,我们下次再见。

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