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克莱因瓶水都去哪了

来源:baiyundou.net   日期:2024-09-23

提到“克莱因”,大家第一反应应该是法国艺术家伊夫·克莱因,在上世纪60年代展示的一种混合颜色,在现代社会已经成为了高级和温柔的代表。

克莱因蓝

但是今天,我们要讲的不是这个“克莱因”,而是一个神奇的瓶子“克莱因瓶”

而即便我们将其叫做“克莱因瓶”,它也不是一个真正意义上的瓶子,因为在它的底部有一个洞,我们根本无法将其填满。

接下来我们就来了解一下,神奇的“克莱因瓶”是什么?为什么将地球上的水倒进去,也装不满?

克莱因瓶

“克莱因瓶”无法真的存在于三维空间

最开始数学家菲利克斯·克莱因,在1882年提出它的时候,用的是德语“Kleinsche Flche”,正确的翻译应该是“克莱因平面”

只是后来人们在抄写的过程中,将“Flche”,抄成了“Flasche”,于是就变成“克莱因瓶”了。

之所以要提到这个典故,是因为我们根据它的描述,制作出来的图像其实就和瓶子没什么两样

菲利克斯·克莱因

在数学领域,克莱因瓶值得是一种无定向性的平面,就像在二维空间中一样,没有内外之分

在拓扑学中,它指的就是一个不可定向的拓扑空间

所以对其进行理解后,我们可以将克莱因瓶表述为:将一个底部有洞的瓶子,进行延长,使得瓶颈能够扭曲进入瓶子内部,最后于底部的洞连接起来。

如果是这样的话,那么一只蚂蚁在瓶子的内部爬行,就不需要爬到表面就可以来到瓶子外面了

克莱因瓶

两个莫比乌斯环构成“克莱因瓶”

怎样可以形象地理解这样的结构呢?我们可以从莫比乌斯环来进行理解。

二维空间属于平面,这个大家都知道,也就是拥有正反两面的纸条。

如果在这个纸条上,存在一个二维生物,它此时需要从正面来到反面的话,必须要绕过纸条的边缘才能抵达,当然如果它有本事直接穿过纸条也可以。

但现在我们不想这个二维生物这么麻烦,于是将的一端翻转180°(180°的奇数倍都行),然后再将两端粘在一起,也就是”莫比乌斯环“。

莫比乌斯环

这个具有单侧曲面的二维环状结构,是1858年数学家奥古斯特·莫比乌斯发现的。

我们可以发现,如果将蚂蚁放在这样结构的纸条上,它既不需要经过边缘,也不需要穿过平面,就可以达到另一面了。

并且这样的结构,可以说是无限循环的,所以现在很多商家都将其视为爱情永恒的象征,制作出了类似结构的“莫比乌斯环”戒指。

莫比乌斯环戒指

这里的莫比乌斯环还存在着边缘,但如果我们将两个莫比乌斯环合在一起,那么它们的边缘就可以完全连接起来,于是就可以得到一个封闭的结构

最后呈现出来的其实就是一个,没有内外之分,能够直接从内部进入外面的“克莱因瓶”。

关于莫比乌斯环属于几维空间,很多人多有争议,但是既然我们能够在三维空间看到并将其制造出来,那就可以将其视作三维空间的曲面

克莱因瓶

而这样两个莫比乌斯环的叠加,显然就上升了“克莱因瓶”的维度,使得其只能在四维空间以上的世界存在

莫比乌斯环能够无限循环,那么两个加在一起,也可以实现这种永恒,所以我们才会说,如果这种瓶子真的存在,那么即便将地球上的水都倒进去,也没有办法将其装满。

因此很多在市面上售卖的克莱因瓶,其实都是假的,将水倒进去后,随随便便就能装满,这不过商家是为了寻一个赚钱的门道罢了。

不是真的克莱因瓶

四维空间是什么?

那么在四维空间中,世界又是怎样的呢?

我们常说的四维空间又称“欧几里得四维空间”,这其实是一个数学概念,所以一定要和爱因斯坦提出的“四维时空”区分开。

科学家们根据现代科学知识体系,甚至总结出了11个维度空间,也就是在数学和物理学中,我们可以将n个数的序列,理解成一个n维度空间中的位置。

四维空间

在我们所处的三维空间中,存在三对主要方向,上下对应的是高度,南北对应的是维度,东西对应的就是经度。

这三对方向在空间中属于两两正交,也就是两两成直角,在数学上对应的就是咱们的x,y,z坐标轴了。

所以处于三维空间的人,可以看到二维生物无法看到的被遮挡在墙背后的物体,并且能够在不破坏空间的前提下就能将其拿出来。

三维空间的坐标轴

而在四维空间,就多了一对可以和其他三个主要方向垂直的主要方向,对应的坐标轴为w轴

这时候处于四维空间的生物,就可以看到三维生物无法看到的事物,并且轻松将其取出。

如果按照空间的组成来说,一维空间就是点,二维空间就是将多个点组合在一起,形成的平面,而三维空间就是多个平面组成的“曲面”

三维空间

那么再这样推算下去,四维空间就是由多个三维空间组成的了。

然而由于人类现在作为三维生物,对于四维空间只能进行猜测,并基于现象总结,我们无法判断其正误,所以即便我们看到了一些现象,也无法确定这是四维空间引起的

在三维空间中的“克莱因瓶”

市面上仍旧有很多模仿的“克莱因瓶”,虽然从表面上看起来,似乎不需要经过瓶子外部就可以从内部出来。

只是形状相似而已

但实际上,这样的瓶颈和瓶身是相交在一起的,这就和我们概念中的“克莱因瓶”有很大区别,因为它根本就是自己穿过了自己的表面。

所以在三维空间中,人类无法真的将两个莫比乌斯环的边缘完全连接起来,除非要穿过它的表面。

毕达哥拉斯杯与九龙杯

我们虽然在现实世界中无法将克莱因瓶制造出来,但是确实存在一种永远装不满的杯子,那就是西方的毕达哥拉斯与中国古代的九龙杯

毕达哥拉斯和他的杯子

这两个杯子运用的原理其实运用的原理是相同的,我国的九龙杯,被称为公道杯,是明朝年间由工匠所制。

而毕达哥拉斯杯,也叫毕达哥拉斯贪婪坦塔罗斯杯,则由古希腊科学家毕达哥拉斯发明。

在杯子内部,有一条水位线,如果杯中的液体低于水位线时,它就和普通的杯子一样别无二致。

但是如果当杯子

里的水超过水位线时,杯中的液体就会通过虹吸现象从杯底漏出去。

利用虹吸现象的杯子

两个杯子告诉我们后人的,就是“知足者酒(久)存,贪心者酒(久)尽”,也就是说我们对待生活,知足常乐就好了。

虹吸效应

这其中应用到的虹吸效应,其实就是利用压强差的原理,在密闭的容器中,液体的高度相等,那么压强也就相当。

我们在家中就可以做这样的实验,将两个杯子叠放在一起,然后将上方的杯子打孔,与下方的杯盖贯通,将我们平时用的U型虹吸管放置在其中。

在家也能做的实验

随后往上方的杯子中加水,当水淹没吸管时,其中就空气流动了,于是两个杯子的压力就不一样了,在压强的作用下,虹吸管就会将水吸到下面的杯子中去

所以在文献中,如果皇帝使用九龙杯,将美酒斟满的话,反而一口都喝不到,而如果只倒半杯,那就可以心满意足地喝到啦。

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双红杨3666太原市哪里卖克莱因瓶呢?
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(编辑:自媒体)
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