为什么我们能造出莫比乌斯环?却无法造出克莱因瓶?

科学界的研究总是在刷新着人类的认知,近代的科学家们提出了维度空间的概念,认为人类生活在三维世界当中。

三维世界构想

比人类生活的维度更高的是四维,而先后发现的莫比乌斯环和克莱因瓶,似乎都证明了四维存在的真实性。

然而,人类只能制造出莫比乌斯环,却无法造出克莱因瓶,这是为何?

神秘的莫比乌斯环

1858年,德国数学家莫比乌斯惊讶地发现,只要将一根纸条扭转180度,再将两头连接,就能得到一条神奇的带子,人们将它命名为莫比乌斯环。

莫比乌斯环将纸带原有的两个面变为了一个面,如果一个人站在巨大的莫比乌斯环上,那么这个人的视野当中的路程,将永远无法抵达尽头。

行走在莫比乌斯环上,人们不必跨越纸条曲面的边缘。

自从莫比乌斯环出现之后,人们就将莫比乌斯环认作是无穷符号的代表。

工业当中也时常用到莫比乌斯环结构,来减少机械皮带的磨损。

莫比乌斯环也给艺术作品带去了巨大灵感,比如在荷兰的建造师就以莫比乌斯环为模型,建造了一个“莫比乌斯住宅”。

莫比乌斯住宅

在有关莫比乌斯环的历史上,曾有一段有意思的趣闻,美国著名物理学专家理查德·费曼在年前的时候非常喜欢数学,于是就在女友面前制作了一个莫比乌斯环的模型。

第二天费曼的女友将莫比乌斯环模型带到学校,当老师讲起哲学的时候说道:“凡事都有两面性,就像是任何物体都有两个面”。

结果费曼的女友当场就掏出了莫比乌斯环,这让老师瞬间变得尴尬无比。

有的人认为,人们生活的宇宙就是一条巨大的莫比乌斯环,因为人类永远也无法探知到宇宙的尽头。

浩瀚无垠的宇宙空间

神奇的是,只要将莫比乌斯环旋转三圈半之后,就能得到一个三叶结。

三叶结是研究纽结理论的重要例子,被广泛运用于物理学、几何学、化学当中。

更神奇的是,只要将两个莫比乌斯环唯一的面粘连起来,就能形成一个克莱因瓶。

不过这种粘连只能在四维空间中才能实现,在三维空间当中,只能将莫比乌斯环撕裂来建造成一个外观模型,与真实的克莱因瓶相去甚远。

同样的道理,在四维空间当中,也可以将克莱因瓶分成两个莫比乌斯环,这种神奇的交替性质,使得科学界的理论相互联系了起来。

如图所示

克莱因瓶是1882年,德国著名几何学家克莱因发现的。

克莱因将克莱因瓶定义为,一个瓶颈与瓶子底部洞口相连的特殊结构,克莱因瓶与莫比乌斯环一样表面没有“终结”。

简单来说,就是一个与自己相交的瓶子模型。

克莱因瓶与人们认知的瓶子有着巨大差异,克莱因瓶没有内外之分,人们在足够大的克莱因瓶当中,可以直接从内通往外部,不用穿过克莱因瓶的表面。

克莱因瓶建模图示

在拓扑学当中指出,克莱因瓶是一个不可定向的拓扑空间。

根据克莱因瓶的特性,当中的空间引导着进入到其中的物体进行循环,简单来说真正的克莱因瓶能够装下整个宇宙的水。

制造克莱因瓶有多难?

在三维空间当中,人们固然可以通过技术手段来制作出克莱因瓶的模型,这个模型只是一个概念性的东西,没有实际作用。

要制作出真正的克莱因瓶,必须要在四维空间当中,对三维进行扭曲,才能得到。

举个大家可以理解的例子,比如想要制造出一个立体水杯,在人类生活的三维是相当简单的事情。

但是在二维当中,不可能存在空间高度,就像是一张只有宽度没有厚度的纸,如果人类(降维之后)生活在纸张上,无法造出立体物质。

这个时候,人类只能通过视觉上的立体图画来呈现三维的模样。

眼睛就是这样看到图像的

三维世界的克莱因瓶就像是视觉上的立体图,本身并不是立体的,而是给予了人们一种更高纬度的感觉。

在此基础上,人类就不可能制造出克莱因瓶。

一直以来,克莱因瓶都只存在于人们的幻想当中,最开始的时候克莱因幻想着利用玻璃来制成克莱因瓶,经过无数次的实验都未能成功。

此后,不断有科学家站出来,想要制造出一个真正的克莱因瓶,无一例外,都失败在了研究的路上。

从历史角度来看,每一代的科学家都在反复验证,克莱因瓶在三维中存在的不可能性。

克莱因瓶建模

四维与克莱因瓶

维度代表的是一种空间概念,在宇宙还未诞生的时候,科学家认为存在一个奇点,奇点并不存在维度,但是质量无穷大,在高温下发生爆炸,诞生了如今的宇宙。

从一维开始就比较好理解了,简答来说一维就是由无数点组成的线,这个线没有特定的方向,也没有宽度,对于一维存在的生物来说,一维生物只能在这条线上活动。

无所的一维线叠加起来,就成了二维,二维是一个具有长宽的平面,但是没有厚度,与一张无限大的纸张类似。

科学家曾用最简单的说法来表明二维和三维的区别,在二维当中无法存在三条相互垂直的线条。

不同维度的区别

因为三线垂直就涉及了空间,处于二维的生物只能构想出空间这样一个概念。

既然二维显得如此神奇,那么克莱因瓶投射到二维当中究竟是什么样子的呢?

显然,在二维世界,克莱因瓶只能是一幅画,没有厚度,二维的生物甚至无法理解克莱因瓶究竟有何意义。

三维空间就不再赘述了,想必大家都非常熟悉,克莱因瓶也呈现出了立体的模型,帮助三维生物更好地理解四维存在。

四维就是由无数的三维叠加而成,在四维的投影是三维,就像是人类生活的三维空间投影出现的是二维的样子。

四维空间构想

四维生物眼中的世界究竟是怎样的,人类无法通过大脑想象出来,因为人们的大脑,人类的视网膜都是三维的产物,不可能用于想象四维空间。

就好像安卓的软件只适用于安卓手机,不可能按照苹果系统的软件,除非人类换上了四维眼睛和大脑。

那么,四维空间究竟有何特点,才让克莱因瓶拥有如此神奇的能力?

之前有提到过,四维是无数空间的叠加,所谓的无数空间定义其实是有关时间的空间概念。

通俗来讲,就比如一个人上一秒的空间和下一秒所处空间叠加起来,秒只是一个例子,这种叠加形式精确的时间数值让人们难以估量,所以才会有空间无限量的说法。

四维空间构想

这种性质也存在于克莱因瓶当中,同一条时间线无数空间的叠加,自然而然使得四维的空间无限大,所以仅仅一个克莱因瓶就能装满三维空间的水,并不是夸张的说法。

这种时间上的空间叠加性,也让四维空间的时间具有可逆性,但是只能在同一个时间轴上逆转。

克莱因瓶不仅能够装满三维空间的水,而且还能还原到装水的任意一个时间节点。

至于跟高维度的空间就出现了时间节点的分歧,无数的分歧使得高维度的生物能够在不同的时间轴之间肆意穿梭。

空间穿梭构想

人类对更高维度的空间认知少之又少,毕竟四维就已经足以桎梏人们的认知。

凭借人类目前的科技发展来看,或许在未来的某一天,真的能够揭开四维的神秘面纱。

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