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科研点评(五):有趣的莫比乌斯怪圈
huaqx2016 2018-2-10 00:09
有趣的莫比乌斯怪圈 -华庆 新- 我知道莫比乌斯怪圈,始于六年前买的三本史蒂芬 · 霍金的书:《时间简史 —— 从大爆炸到黑洞》,《胡桃里的宇宙》和《霍金的宇宙》以及 BBC 出版的六集介绍霍金的《 A Brief History of Time 》光盘。从远古的宇宙图像,包括‘盘古开天地’,到宇宙大爆炸理论;从爱因斯坦的相对论到 宇宙背景微波辐射;从 黑洞的发现到可能的星际迷航,我一边在云里雾里感觉宇宙的浩瀚,一边在 150 亿年的宇宙演化中感知人类的渺小和短暂。既惊叹霍金等科学家的惊人思索,也折服于精美的插画,那彩色形象的图像胜过千百言词。在霍金的书里,讲到时间机器、星际旅行,少不了涉及‘虫洞’,由常人难以想象到的捷径超‘短路’回到地球,或者回到祖爷爷的童年时代。看了这些,不能说自己多懂了些什么,但是不少人名和术语却也灌进了不少。其中之一,就是最近颇感兴趣的词:莫比乌斯圈。 莫比乌斯圈的发现 德国数学家,天文学家莫比乌斯( August Mobius , 1790 ~ 1868 )困惑一道数学几何学难题:怎样在长方形的纸条上,用一种颜色,把整个纸条正反面抹成一种颜色。他头昏脑涨之余,到野外散步,一片片肥大的玉米叶子,在他眼里变成了他脑中绿色的纸条。叶子弯曲耸拉下来,有许多扭成半圆形。他随便撕下一片,顺着叶子自然扭曲的方向对接成一个圆圈儿,他惊喜地发现,这‘绿色的圆圈儿’就是他梦寐以求的那种圈。莫比乌斯捉了一只小甲虫,放在上面让它爬。结果,小甲虫不翻越任何边界就爬遍了圆圈儿的所有部分。莫比乌斯圈就这样被发现了,并以他的名字命名。莫比乌斯对几何学、拓扑学结构以及天文学都有重要贡献。这莫比乌斯圈有一个最令人著迷的性质:它只有一条边和一个面。下面就是以数学参数方程式描述的立体莫比乌斯带: 图 1. 用 Matlab 描绘的莫比乌斯带 x(u,v)= cos(u); y(u,v)= sin(u) z(u,v)=v/2×sin(u/2) 。其中 0≤u < 2π 且 -1≤v≤1 。这个方程组可以创造一个边长为 1 ,半径为 1 的莫比乌斯带,所处位置为 x-y 面,中心为( 0 , 0 , 0 )。参数 u 在 v 从一个边移动到另一边的时候环绕整个带子。如果用极坐标方程表示的话 (r,θ,z) ,一个无边界的莫比乌斯带可以表示为:  log(r)sin(θ/2)=zcos(θ/2) 。 纸条拧出的莫比乌斯圈:剪一剪,试一试 图 2. 为了搞清莫比乌斯圈的特性,我用长度为 1 米的长条纸开始裁剪做小实验,以开拓自己的空间想象力。 开始很简单,把长条纸尾部拧 180 度,再和头部粘贴。我们记它为圈 0 ,它的周长为 1 米。 二维的纸张变成三维的螺旋 , 这就是莫比乌斯圈,但只有一条边,一个面。圈 0 像 O 字,但并不平伏于地面。 图 3. 如果把圈 0 沿中间剪开,它并不断开形成两个莫比乌斯圈,而是类似于圈 0 ,但周长为 2 米。记它为圈 1 。不过,圈 1 不是圈 0 的简单放大。圈 1 是八字型,也不平伏于地面。你也不可能把它放成 O 型,除非有一边拧上两圈。 图 4. 如果把圈 0 中间划两条线剪开,剪的外沿变成周长 2 米的莫比乌斯圈,而中间的变成周长一米的莫比乌斯圈,记为圈 2 。这似乎是圈 0 和圈 1 套在一起。为什么呢? 如果开剪前在纸条两头记上 abc ,反面记 a’b’c’ ,转 180 度粘贴后, a 和 c’ 及 a’ 和 c 相连,形成 2 米的圈。中间 b 和 b’ 相连,仍是 1 米的莫比乌斯圈。 图 5. 如果把圈 0 中间划三条线剪开,你先剪的外沿变成周长 2 米的莫比乌斯圈,再剪中线就变成另一个周长 2 米的莫比乌斯圈,记为圈 3 。这似乎是两个圈 1 套在一起。 以后无伦你怎么剪,只要不横着剪断,你永远得到的是莫比乌斯圈。 在剪 圈 3 时, 我曾经以为如果先沿中间线剪,会和刚才的结果不同。实际上结果完全相同,只不过先剪中间,先得到宽边的周长为 2 米的 莫比乌斯圈 1 ;再剪两侧,得到的是完全一样的莫比乌斯圈 1 。如果剪前先在纸条正反两端写上 abcd 以及 a’b’c’d’ ,则 ad’ 和 a’d 形成一个圈,而 bc’ 和 cb’ 形成另一个圈,不论你先沿那条线开剪。 图 6. 把圈 0 -圈 3 放在一起。 图 7. 圈 3 有不同的摆放方式,可以是十字花型如下图 7 左,或八字型如图 7 右。 图 8 划四条线剪出五角星型(左),其实是两个周长 2 米的圈 1 ,被周长 0.5 米的圈 0 套住(右)。 从 莫 比乌斯圈到 克莱因瓶 如果说莫比乌斯 克圈是把二维纸条扩展到三维,那克莱因 瓶就是从三维立体图像向四维进发。 1882 年数学家克莱因 (Felix Klein) 发现了后来以他名字命名的著名‘瓶子’:象球面那样封闭的曲面,但却只有一个面。如图 9 所示,克莱因瓶的确就象是一个瓶子。但没有瓶底,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一起。如果瓶颈不穿过瓶壁而从另一边和瓶底圈相连,我们就会得到一个轮胎面 。 球有两个面:外面和内面。轮胎面也是一样,有内外表面之分。但是克莱因瓶却不同,一只爬在‘克莱因瓶外’的蚂蚁,可以轻松地通过瓶颈而爬到‘瓶内’去,因为克莱因瓶并无内外之分!图 9 玻璃克莱因瓶: 图 9 克莱因瓶只有一个面,这一性质与莫比乌斯带很像 。 图 10. 拿刀沿着对称轴竖着把克莱因瓶一劈为二,会劈出两个莫比乌斯带 图 11. 8字形 - 克莱因瓶,看起来曲面不同,但在四维空间中它其实就是同一个曲面:克莱因瓶 说了这么多 莫比乌斯带和克莱因瓶,其实都是二维变三维,三维变四维。我们可以理解的四维,是三维立体加时间第四维。实际上在 史蒂芬 · 霍金的理论里,他们推演到 11 维,而一般人看不到第四维,但高维确实存在。笔者专业是以核磁共振测定生物大分子三维结构,要用三维以至四维核磁共振。二维核磁共振平面( 1 H- 1 H )在法线垂直方向( 15 N )展开,就是三维核磁共振,由 64 或 128 张二维平面图构成。而四维核磁共振就是每张三维图里的二维图按 13 C 频率再展开成 64 或 128 个三维立方,这实际就是四维图。但是我们一开始并不知道,也不能直接看见这具体的四维图,而只能分别看到二维图或者三维图。不过,看不到的东西不见得不存在。 图 9 中 克莱因瓶的瓶颈和瓶身相交,换言之,瓶颈上的某些点和瓶壁上的某些点有同样的三维坐标,占据了三维空间中的同一位置。实际上克莱因瓶是一个在 四维空间 中才可能真正表现出来的曲面,但我们习惯于三维空间,只好将就把它画得似乎是自我相交。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,并不穿过瓶壁。正如纸条做 莫比乌斯圈 0 时,要翻转 180 度 粘贴,这已经跳出二维平面在三维空间拧转。要形成 克莱因瓶,就要在第四维作类似的翻转, 在四维空间里对三维模型进行扭曲。 发挥您的想象力吧! 莫 比乌斯圈的应用 莫比乌斯圈和克莱因瓶看似好玩,有没有实际用途呢?莫 比乌斯圈已被广泛地应用到了建筑、艺术、工业生产中。譬如皮带轮是广泛应用的运动传接(能量传递)方式,单面皮带一侧被磨损另一面却完好如新。如果用 莫 比乌斯圈就可以两侧牵动,两面磨擦,受磨损程度就减少一半或者说皮带寿命增加一倍。运用 莫 比乌斯圈原理是不是可以在建造立交桥和道路时,避免车辆行人的拥堵?在艺术、美术界 莫 比乌斯圈已经大大激发人们的想像力。 图 12. 荷兰画家埃舍尔热衷于创作与 莫 比乌斯圈有关的绘画。左面小蚂蚁爬 莫 比乌斯螺旋就是他的代表作,所有蚂蚁的行进路径 , 都走在一个面上。右面是他的《瀑布》,这奇异建筑虽不直接和 莫 比乌斯圈有关,但有类似的奇特:建筑的基础是不可能的三角形和不可能的楼梯。三角形在画中被应用了三次。看每一个部分都找不出错误,但瀑布是在一个平面上流动却冲击着一个水磨让其转动。更奇怪的是,这两个塔看起来是在一个平面上,可左边的一个升高三个台阶,而右边是两个!他用了错误的视觉诱导。 详见: http://baike.baidu.com/view/2197633.htm 建造一个‘ 莫 比乌斯上海眼’,如何? 可以大胆设想在浦东临黄埔江朝西处建立一个 莫 比乌斯圈 1 的大观景圈,就像‘伦敦眼’大转盘一样。青少年喜欢的‘过山车’速度太快,不适合中老年观光。如果把大转盘做得二三十米高,类似垂直的 莫 比乌斯圈 1 ,观光者就可以惬意地坐在安全的‘吊篮’里,既看到浦东高新建筑群,又能欣赏外滩多国建筑,把新世纪的新上海和三十年代的老上海,正反两面看个够。夕阳西下、华灯初上之时,人约黄昏、浪漫温馨之际,眺望浦江两岸该多浪漫,多赏心悦目!不过当人们到达顶部向下运转时,就会头下脚上了。但如果设计好游客的‘小吊篮’可以始终保持头上脚下,在技术上并不难。底部当然也应该撑高,而不能着地。或者也可以让这 莫 比乌斯圈 1 横躺着,有两个地面支撑点,两辆‘小吊篮’相向而开,那也一定很有意思。我没坐过‘过山车’,是不是 莫 比乌斯原理已经用到上面,只是速度过快,不太安全。 这样的 莫 比乌斯圈 1 也可以为儿童而建:把 8 字型横躺的 莫 比乌斯圈 1 做成梯子形状,高度 1 米多点,下面是沙坑。小孩一定会高兴地沿梯子横档爬过来翻过去,从上面爬到下面,从正面翻到侧面,乐此不疲。即便掉下来,也有沙坑承载。其实把它做成 DNA 双螺旋结构,以 A-T , G-C 配对当梯子的横档,磷酸-核糖骨架作梯子的两侧,对老百姓、青少年科普一番,也会是个好创意!虽然科学上它不太严格。这是艺术化的结构生物学。 如果把电视剧屏幕做成 莫 比乌斯圈而不是平板,那一定非常吸引人。三维的‘阿凡达’在这样的 莫 比乌斯电视荧屏上放映,不知道会有什么效果,可能反而看不清?但大场面的战争电影或科幻电影,或者是经典的‘男追女跑’镜头,在 莫 比乌斯电视荧屏上会有意想不到的视觉观感。 北欧有些建筑就是按 莫 比乌斯圈格局建的,但是我觉得并没有太特别的地方,建造费用会很高。又有人把北京 CCTV 新楼(俗称‘大裤衩’)说成是 莫 比乌斯格式,我认为那顶多算半个扭曲的建筑,忒畸形! 上面说的莫 比乌斯圈 的一些应用大多是‘玩’的,实际它的 数学 理论意义更重要。 莫比乌斯圈是拓扑学中最有趣的单侧面问题,而数学的一个重要分支就是拓扑学,主要研究几何图形连续改变形状时的特征和规律。 以前人们关注的是几何图形(角度、长度、面积、体积等),而拓扑学则研究经过一系列扭曲、拉伸、压缩等操作仍然不变的性质 。 在史蒂芬 · 霍金等人的书里,多维空间是常被讨论的问题。他们说的对不对,我们现在还无从完全证实。但是大胆的推论和猜测是科学发展进步的源头,其中时间的莫比乌斯螺旋就是一种很大胆的猜测。当考虑时空旅行时,我们必须考虑能不能由‘虫洞’之类‘捷径’返回,而莫比乌斯式的操作可能使人们能从‘高维空间’返回现实世界。有些人作了下面一些推测,信不信由你: 一.无论将莫比乌斯环放在宇宙时空的任何地方,我们会发现莫比乌斯环外的空间也只能是一个面,因此,宇宙时空的任何空间也只存在一个面。我们也就可以认为宇宙时空中的任何一点与其它的点都是相通的,即整个宇宙时空是相通的,任何一点既是宇宙的中心,也是宇宙的边缘。宇宙时空中的任何物质也都是一样,既处于宇宙的中心,也处于宇宙的边缘。 二.宇宙时空中的任何一个点都可以通过 ‘ 裂变’方式无中生有地生成一个对立的阴阳两性。它需要一个比原来的空间大一倍的空间,来体现这新生成的、一个对立的阴阳两性。 三.所有的莫比乌斯环套在一起,永远无法分开、永远也不可能与其它的环不发生联系而独立存在。这说明宇宙万物之间存在普遍联系的法则,而且任何一点或一个事物都与其他所有的宇宙万物相通相连。 四.宇宙万物从最终起源上来讲是没有任何差异的,也可以说宇宙万物都是从无中生有中而来,只不过是在演变的过程中呈现出差异而已。宇宙时空中的任何一个点都可以通过无中生有的方式第一次生成阴阳两性,然后再分别以刚生成的阴阳两性为基础,生成第一次的阴阳两性的两个物质,第二次、第三次 …… 直至永无穷尽。(以上四段引自他人文字!) 我似懂非懂地写了上面这些话,也同时感慨中国文化之悠远,早就对广袤的宇宙产生兴趣。我们知道的‘三百千’,即《三字經》、 《百家姓》、 《千字文》中的《千字文》,第一句就是 ‘ 天地玄黄,宇宙洪荒 ’ 。这 《千字文》 是 1500年前 作爲兒童習字的啓蒙讀物,用八个字把 黑色苍天、黄色大地和辽阔无边的茫茫宇宙联系在一起。这给中国小孩的启蒙有多深的印象!这八个字引导他们思索这无边无际、辽阔浩瀚的宇宙天际。 还有,屈原的《天问 》也是问了有关苍天、宇宙、天体的多少个问题,可以想见中国古人对自然现像的关切和浪漫潇洒、天马行空式的充分想像。只可惜中国近代的衰退,没能接续、跟上近代科学的发展!现在就看您和您的下辈了! (如果纸条拧 360度再 粘贴,中间剪一刀、两刀,会出现什么?我没实验,您有兴趣试试吗?) 写于 4/17/2010;上传于2/9/2018,波士顿
个人分类: 科普杂谈|9236 次阅读|0 个评论
sarah-mario belcastro女士用毛线编制的克莱因瓶
热度 2 Wuyishan 2013-6-7 11:25
以上照片是sarah-mario belcastro女士用毛线编制的第一个克莱因瓶。她有专门的网站介绍她如何编织克莱因瓶以及其他“数学物品”的,见 http://www.toroidalsnark.net/mkkb.html 。 她在《美国科学家》杂志2013年3-4月号撰文《数学编织奇遇》,非常有趣。以下是文章的开头部分,想读全文的可点击 http://www.americanscientist.org/issues/feature/2013/2/adventures-in-mathematical-knitting/1 。 Adventures in Mathematical Knitting Rendering mathematical surfaces and objects in tactile form requires both time and creativity sarah-marie belcastro I have known how to knit since elementary school, but I can’t quite remember when I first started knitting mathematical objects. At the latest, it was during my first year of graduate school. I knitted a lot that year, because I never got enough sleep and needed to keep myself awake during class. During the fall term I made a sweater for my dad, finishing the seams right after my last final, and in the spring I completed a sweater for my mom. Also that spring, during topology class, I knitted a Klein bottle, a mathematical surface that is infinitely thin but formed in such a way that its inside is contiguous with its outside (see Figure 1) . I finished the object during a lecture. It was imperfect, but I was excited, and at the end of class I threw it to the professor so he could have a look. Over the years I’ve knitted many Klein bottles, as well as other mathematical objects, and have continually improved my designs. When I began knitting mathematical objects, I was not aware of any earlier such work. But people have been expressing mathematics through knitting for a long time. The oldest known knitted mathematical surfaces were created by Scottish chemistry professor Alexander Crum Brown. (For more about Crum Brown's work, click the image at right). In 1971, Miles Reid of the University of Warwick published a paper on knitting surfaces. In the mid-1990s, a technique for knitting Mbius bands from Reid’s paper was reproduced and spread via the then-new Internet. (Nonmathematician knitters also created patterns for Mbius bands; one, designed to be worn as a scarf, was created by Elizabeth Zimmerman in 1989.) Reid’s pattern made its way to me somehow, and it became the inspiration for a new design for the Klein bottle. Math knitting has caught on a bit more since then, and many new patterns are available. Some of these are included in two volumes I coedited with Carolyn Yackel: Making Mathematics with Needlework (2007) and Crafting by Concepts (2011) . You might wonder why one would want to knit mathematical objects. One reason is that the finished objects make good teaching aids; a knitted object is flexible and can be physically manipulated, unlike beautiful and mathematically perfect computer graphics. And the process itself offers insights: In creating an object anew, not following someone else’s pattern, there is deep understanding to be gained. To craft a physical instantiation of an abstraction, one must understand the abstraction’s structure well enough to decide which properties to highlight. Such decisions are a crucial part of the design process, but for the specifics to make sense, we must first consider knitting geometrically.
个人分类: 科普小兵|3905 次阅读|4 个评论
玄诗:梵天同乐(play KBC with joy)
warlong 2012-12-15 23:46
玄诗:梵天同乐(play KBC with joy)
梵天同乐(play KBC with joy) 超弦谐奏唱万籁,缔膜狂飙扫诸天; 自爆烟花庆宇宙,旋舞流形出玄渊; 我欲乘风御龙去,又恐时空迷色眼; 但恨此身态纠缠,且随量子共场颠; 穿破畴壁越势垒,伪空衰变涌暗泉; 遍历四维圆本体,凌波微步量周天; 无数珠宝缀苍穹,一网星鱼作肠餐; 克莱因瓶倒世界,镜中醉游天外天; 遗忘信息散太虚,乱扔骷子射时间; 惟凭算符谱神曲,大道零和方程边。 关于有关问题,可见《 关于真空量子、物理玩具、宇宙时空及其它 》: http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=spaceuid=289142do=blogid=644813
个人分类: 道法自然|5119 次阅读|0 个评论
缠师体对话8:克莱因瓶与破除我执
热度 7 jiangjinsong 2012-7-15 19:32
青年请问:二傻老师, 我的头脑 为什么学习禅的智慧那么费劲?不容易接受呢? 二傻 说, 任何一个 瓶子 容量都是有限的。 你不把它里面的东西倒出来,怎么装新的进去? 我劝你把各种世俗杂念放下,这样禅的智慧就容易接受了。 青年 点头称是,连连说有道理,高兴而回。但是半夜醒来,又有疑惑,想了一夜,想不清楚,好不容易挨到早晨 8 点,急急忙忙给二傻老师打电话,结果二傻一大早已经登上飞往天狼星的飞碟,准备参加天狼星七一红歌晚会。手机以及一切联络工具全部关闭,无法联络。 青年无奈只好给蒋科学打电话,“科学老师, 克莱因瓶 不就是无内无外吗?它还需要把里面的东西倒出来吗?这可怎么倒呢?” 克莱因瓶就没有 “ 内部 ” 和 “ 外部 ” 之分 蒋科学说:啊,克莱因瓶,妙啊。克莱因瓶没有内外之分,不会把空间隔离开来,也就无所谓容量有限的问题,更没有倒出装进的问题了!绝对开放,也绝对充实。 回到你本来的问题上,如果你真能领会到无我的精神,真正破除了我执,真正做到无我相,无人相,无众生相,无寿者相,禅的智慧自然就拥有了。二傻老师的一句话引发你很深的思考,果然是高手啊! 延伸阅读 :永嘉大师证道歌
个人分类: 科學宗教|3754 次阅读|59 个评论
走进克莱因瓶回收中心
热度 1 jiangxun 2011-3-11 10:14
作者:蒋迅 Source: wikipedia.org 数学领域中, 克莱因瓶 ( Klein Bottle ) 是指一种无定向性的平面,比如2维平面,就没有“内部”和“外部”之分。它最初的概念提出是由德国数学家 菲利克斯·克莱因 ( Felix Klein ) 提出的。在三维世界里,克莱因瓶是不可实现的。因为我们必须到第四维空间去实现它。这就好比在二维空间里的 莫比乌斯带 ( Moius strip ),它只有到三维空间里才能实现粘合。 Source: nobrowcartoons.com by Mark Heath Mark Heath 创作了“一幅”漫画“克莱因瓶回收中心”(Recycling Center for Klein Bottle) 。当然,他的这幅其实是“两幅画”,因为克莱因瓶是数学家想象出来的。从漫画中可以看到,一位绅士抱着一袋克莱因瓶走进“克莱因瓶回收中心”却发现他永远 走不到头。 美国人的浪费是惊人的。单是塑料矿泉水瓶每天就会被丢弃三千多万个。1971年俄勒冈州率先立法回收空瓶子。1986年加州也通过了类似的法规。还有其它一些州跟进。虽然他们浪费惊人, 回收方面的努力 也给人深刻的印象。在加州,现在回收空瓶的中心很多,许多美国人把空瓶子攒起来拿到那里去卖,一般是5美分一个。这幅漫画就源于此景。 有人说,我们的宇宙就是在一个黑洞之中。这似乎很像克莱因瓶,整个我们所居住的宇宙都在一个黑洞中,而这个黑洞又在另一个黑洞里。这个过程永无止境。 下面再来几个克莱因瓶。尽管克莱因瓶在三维空间是不可能实现的,仍然不能阻止人们试图去实现它。 Source: Futurama screencaps Source: Drinking Mug Klein Bottles - for the Thirsty Topologist Source: Klein Bottle Opener Source: Acme's Baby Klein Bottle Source: The Klein Bottle -- After Paul Chang
个人分类: 谈数学|13536 次阅读|1 个评论

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