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莫比乌斯带

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  公元1858年,德国数学家莫比乌斯(Mobius,1790~1868)和约翰·李斯丁发现:把一根纸条扭转180°后,两头再粘接起来做成的纸带圈,具有魔术般的性质。普通纸带具有两个面(即双侧曲面),一个正面,一个反面,两个面可以涂成不同的颜色;而这样的纸带只有一个面(即单侧曲面),一只小虫可以爬遍整个曲面而不必跨过它的边缘。这种纸带被称为“莫比乌斯带”(也就是说,它的曲面从两个减少到只有一个)。

  拿一张白的长纸条,把一面涂成黑色,然后把其中一端扭转180°,就成为一个莫比乌斯带。用剪刀沿纸带的中央把它剪开。纸带不仅没有一分为二,反而剪出一个两倍长的纸圈。

  新得到的这个较长的纸圈,本身却是一个双侧曲面,它的两条边界自身虽不打结,但却相互套在一起。把上述纸圈,再一次沿中线剪开,这回可真的一分为二了,得到的是两条互相套着的纸圈,而原先的两条边界,则分别包含于两条纸圈之中,只是每条纸圈本身并不打结罢了。

  相反,拿一张白的长纸条,把一面涂成黑色,把其中一端360度翻一个身,粘成一个双侧曲面。用剪刀沿纸带的中央把它剪开。纸带不仅没有一分为二,反而剪出两个环套环的双侧曲面。

  莫比乌斯带还有更为奇异的特性。一些在平面上无法解决的问题,却不可思议地在莫比乌斯带上获得了解决。

  比如在普通空间无法实现的手套易位问题:人左右两手的手套虽然极为相像,但却有着本质的不同。我们不可能把左手的手套贴切地戴到右手上去;也不能把右手的手套贴切地戴到左手上来。无论你怎么扭来转去,左手套永远是左手套,右手套也永远是右手套!不过,倘若你把它搬到莫比乌斯带上来,那么解决起来就易如反掌了。

  在自然界有许多物体也类似于手套那样,它们本身具备完全相像的对称部分,但一个是左手系的,另一个是右手系的,它们之间有着极大的不同。

  制作过程中把纸带一端旋转180度可以,旋转540度、720度……都符合莫比乌斯带的定义。

  从拓扑学上来讲,莫比乌斯带可以定义为矩阵[0,1]×[0,1],边由在

  莫比乌斯带是一个二维的紧致流形(即一个有边界的面),可以嵌入到三维或更高维的流形中。它是一个不可定向的的标准范例,可以看作

  P。同时也是数学上描绘纤维丛的例子之一。特别地,它是一个有一纤维单位区间,

  莫比乌斯带是一种拓展图形,它们在图形被弯曲、拉大、缩小或任意的变形下保持不变,只要在变形过程中不使原来不同的点重合为同一个点,又不产生新点。换句话说,这种变换的条件是:在原来图形的点与变换了图形的点之间存在着一一对应的关系,并且邻近的点还是邻近的点。这样的变换叫做拓扑变换。拓扑有一个形象说法——橡皮几何学。因为如果图形都是用橡皮做成的,就能把许多图形进行拓扑变换。例如一个橡皮圈能变形成一个圆圈或一个方圈。但是一个橡皮圈不能由拓扑变换成为一个阿拉伯数字8。因为不把圈上的两个点重合在一起,圈就不会变成8,“莫比乌斯带”正好满足了上述要求。

  传统的三维世界里,所有的维度都是直线式的,但如果将旋转视为一种纬度,则相对容易对莫比乌斯带进行解释。

  从莫比乌斯带的结构来看,它包含了一个水平360度旋转的维度,同时包含了一个垂直方向上360度旋转的维度,加上带子本身的平面(x,y)维度,莫比乌斯带总共是四个维度。

  如果垂直方向上旋转的度数继续增加,只会增加莫比乌斯带缠绕的圈数,并不会额外增加空间的维度。

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