奇思妙想的定理世界

潘洛斯阶梯

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潘洛斯阶梯,又名潘罗斯阶梯、彭罗斯阶梯,由英国著名数学物理学家、牛津大学数学系名誉教授潘洛斯提出。曾出现在电影《盗梦空间》里面的清醒梦境中。

潘洛斯阶梯是:四条楼梯,四角相连,但是每条楼梯都是向上的,因此可以无限延伸发展。是三维世界里需要在一定角度下才能看到的楼梯。 在三维世界中不可能出现,这种不可能出现的物体来自于将三维物体描绘于二维平面时出现的错视现象。

为什么在三维世界中不可能存在呢?

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潘洛斯阶梯在三维的形态下最高的一级阶梯和最低的一级阶梯是分开的。从一个特定的视角,将下图蓝色线重叠,就能在视觉上实现潘洛斯阶梯了,它只是二维图形,不存在高度这个维度。图中那四条蓝色线,在这个特定视角成了点,这就是空间的转换导致的视觉效果

再举两个例子:

1、莫斯乌比环是由一个纸条(二维),正面旋转180°与反面相接,它只有一个曲面。蚂蚁只能沿着一个曲面无限循环,所以蚂蚁只能认知二维世界,它们没有高度这个概念。而三维形态下,你可以看到它是呈“8”字型扭曲的,因为我们能认知三维,所以能比蚂蚁更了解这个怪圈。

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2、克莱因瓶 由来: 在1882年,著名数学家菲立克斯·克莱因 (Felix Klein) 发现了后来以他的名字命名的著名“瓶子”。这是一个象球面那样封闭的(也就是说没有边)曲面,但是它却只有一个面。在图片上我们看到,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(即环面)。 具体分析 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。这是怎么回事呢?我们用扭结来打比方。如果我们把它看作平面上的曲线的话,那么它似乎自身相交,再一看似乎又断成了三截。但其实很容易明白,这个图形其实是三维空间中的曲线,它并不和自己相交,而且是连续不断的一条曲线。在平面上一条曲线自然做不到这样,但是如果有第三维的话,它就可以穿过第三维来避开和自己相交。只是因为我们要把它画在二维平面上时,只好将就一点,把它画成相交或者断裂了的样子。克莱因瓶也一样,这是一个事实上处于四维空间中的曲面。在我们这个三维空间中,即使是最高明的能工巧匠,也不得不把它做成自身相交的模样;就好像最高明的画家,在纸上画扭结的时候也不得不把它们画成自身相交的模样。题图就是一个用玻璃吹制的克莱因瓶。好玩的是,如果把克莱因瓶沿着它的对称线切下去,竟会得到两个麦比乌斯圈!

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