打个耳洞,会改变身体基本结构?拓扑学告诉你

让我们问一个问题,“穿耳洞和没有穿耳洞的人之间有什么区别?”这个问题很好回答,一个可以戴耳环,另一个不能。是的,除此之外,似乎没有区别。但事实可能会让你感到惊讶,因为一个耳洞和没有穿孔的人有着根本不同的结构。是的,基本上,你可以说一个没有耳洞人和犀牛的身体结构是一样的,但是这个人和这只犀牛的身体结构与穿耳洞的人是完全不同的。那么,身体的基本结构是什么?我们来看看有趣的拓扑学。

拓扑学是属于数学门类。通常,它研究对象的基本结构,这意味着任何具有相同结构的对象都可以变形。那么结构是什么?简单来说,有两个方面,一个是“亏格”的数量,另一个是可定向性。我来谈谈“亏格”。什么是“亏格”?您可以将其视为一个洞,这是我们上面提到的耳洞。在不进行切割和粘合的情况下,无论怎样变形,“孔”都不会增加或者减少。因此,“孔”的数量相同的对象具有基本相同的结构。我们举个例子。

假设我们的橡皮泥没有任何粘性。我们用这块橡皮泥挤出一个戒指。然后,我们可以将戒指捏成漏斗吗?当然可以,因为漏斗也只有一个洞,我们可以将一个环转换成漏斗而不需要切割和粘接,它们具有相同的结构。那么我们可以把这个戒指捏成一个球吗?答案是否定的,因为球中没有“洞”。我们使用一块不粘的橡皮泥,无论它如何变形,都会留下一个“洞”,永远不会变成没有洞的球。因此,如果一个人击中耳洞,他的“亏格”会增加,所以他和没有刺穿耳朵的人有完全不同的身体结构。

当然,亏格的数量不是决定对象结构的唯一因素,另一个因素是可定向性。我们仍然举一个例子。现在我们将一条纸条制成一个圆圈。我们在这个纸条的一面开始沿着纸条画线。绘制的线最终将形成一个圆,但这条线永远不会到纸的另一面。另一方面,此时纸带是正面有线,背面没有线,我们就说这个纸条是可定向的。让我们看看另一个类似的例子,还是以纸条为例。在我们将这个纸条连接成环之前,我们将一端扭转180度然后再将其包围成一个环。现在从纸条的一侧开始画线,你会发现这条线神奇地跑到纸条的另一边。

由扭曲纸条形成的环实际上变成单面物体,而由未扭曲纸条包围的环是双面物体。被扭曲的条带包围的环是不具有可定向性的,并且这个扭曲的环有一个名称,其被称为莫比乌斯条带。这个神奇的环是德国数学家莫比乌斯于1858年发现。尽管由纸条包围的这两个环看起来非常相似并具有相同的“亏格”,但它们的拓扑结构因其方向不同而不同。世界上的事物很奇怪,但通过上述方法,很容易弄清楚哪种东西是相同的,即使它们看起来相距甚远。