四维世界 克莱因瓶 在四维世界才可能存在的瓶子
在物质世界里,总有一些令人惊叹的东西。比如这个克莱因瓶,就是一个看似纠结的东西。第一眼看到的时候可能没什么感觉,但其实克莱因瓶没有内外之分。这是一个只能存在于四维世界的东西。现实生活中,不可能制作克莱因瓶。
克莱因瓶没有内外之分
克莱因瓶看起来像一个瓶子,但实际上,在数学领域,克莱因瓶指的是一个没有方位的平面,比如一个二维平面,所以“内”和“外”没有区别。在拓扑中,克莱因瓶是空之间的无向拓扑。克莱因瓶最早是由德国几何大师费利克斯·克莱因提出的。
1882年,著名数学家费利克斯·克莱因发现了著名的“瓶子”,这个瓶子后来以他的名字命名。克莱因瓶的结构可以表示为:瓶底有一个洞。现在,将瓶颈延长,拧入瓶子内部,然后与底部的孔连接。与我们通常用来喝水的杯子不同,克莱因瓶没有“边缘”,它的表面不会结束。
克莱因瓶无法存在于现实世界
事实上,克莱因瓶不可能存在于现实世界中,它也是一种不可能的图形,就像潘洛斯阶梯一样。对4-D 空中克莱因瓶的理解如下:克莱因瓶是一个真正可以用4-D 空表示的曲面。如果一定要在我们生活的三维空空间中表达出来,我们就要将就这一点,表现得好像和自己相交一样。
克莱因瓶瓶颈穿过第四维空后与底环连接,但不穿过瓶壁。举个例子,如果把它看成一条平面上的曲线,它好像和自己相交,然后又好像断成三段。但其实很容易理解,这个图其实是3D 空中的一条曲线。它本身并不相交,而是一条连续的曲线。
平面上的曲线自然做不到这一点,但如果有第三维度,可以通过第三维度,避免与自身相交。仅仅因为我们想把它画在二维平面上,我们就不得不将就它,把它画成相交或断裂。
克莱因瓶也是如此,可以理解为位于四维空之间的曲面。在我们的立体空房间里,即使是最辉煌的工匠也要让它看起来像自己的交集;这就像最聪明的画家,在纸上画扭结时,他必须把它们画成自己的交集。有趣的是,如果你沿着克莱因瓶的对称线切开它,你会得到两个莫比乌斯环。
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