克萊因瓶,難道只是存在四維空間的瓶子,永遠裝不滿水?

如果在三維空間上做出克萊因瓶的模型,也必須穿越,但是我們三維空間的人不能理解這個穿越,以為在四維空間它沒有真正的穿越,只是比三維空間少了一維,它必須穿越,因為瓶子必須有裂口,模型只是四維空間克萊因瓶的投影。

克萊因瓶,難道只是存在四維空間的瓶子,永遠裝不滿水?

在四維空間裡的曲面情況就相似於三維空間的曲線。先說三維空間的連續曲線。可以想象一個橡皮筋一樣的細線圈絞一下成了8字形。這個形狀在二維空間看起來壓在下面的一根似乎是斷的,對嗎?你在平面上無論如何也畫不出一根連續曲線了。而我們在三維上看可以看到這個圈是完全連續的,沒有斷裂,上下兩根線是不相交的。

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事實上克萊因瓶根據它的拓撲學定義它是一個連續曲面。它翻出來等價於一個輪胎形。當然這輪胎是個完整的輪胎,而不是有個破洞的輪胎。這樣就是說當你把那根“瓶頸”,從“瓶壁”抽出來後那瓶壁是完整沒有破洞的。

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只不過是我們在三維空間無法表示這個東西而只能在瓶壁穿個“洞”讓瓶頸穿過去。就如同在平面表示8必須把下面一根線斷開一樣。但如果我們在四維空間表現克萊因瓶就可以看到“瓶頸”只是在第四維穿越“瓶壁”,瓶壁還是完整無損的。

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克萊因瓶的結構可表述為:一個瓶子底部有一個洞,現在延長瓶子的頸部,並且扭曲地進入瓶子內部,然後和底部的洞相連接。和我們平時用來喝水的杯子不一樣,這個物體沒有“邊”,它的表面不會終結。它和球面不同 ,一隻蒼蠅可以從瓶子的內部直接飛到外部而不用穿過表面(即它沒有內外之分)。意思說,這個瓶子不能裝水。

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大家大概都知道莫比烏斯帶。你可以把一條紙帶的一段扭180度,再和另一端粘起來來得到一條莫比烏斯帶的模型。這也是一個只有一莫比烏斯帶、一個面的曲面,但是和球面、輪胎面和克萊因瓶不同的是,它有邊(注意,它只有一條邊)。如果我們把兩條莫比烏斯帶沿著它們唯一的邊粘合起來,你就得到了一個克萊因瓶。

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當然不要忘了,我們必須在四維空間中才能真正有可能完成這個粘合,否則的話就不得不把紙撕破一點。同樣地,如果把一個克萊因瓶適當地剪開來,我們就能得到兩條莫比烏斯帶。


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