为什么在我们三维空间中,无法制造出克莱因瓶?

数学中的克莱因瓶是四维空间的事物,无法在我们三维空间中展现。

我们平常看见的克莱因瓶(如下图),其实并非真正意义的克莱因瓶;克莱因瓶是德国数学家菲立克斯·克莱因,在1882年提出来的。

在数学中,克莱因瓶是无定向性的平面,没有内部和外部之分,因为瓶子表面的物体,可以自由行走在瓶子的所有表面,而不需要越过任何边界。

我们看见的伪克莱因瓶,其瓶口拉长绕到瓶颈处,然后穿过瓶颈与底面连在一起,这是在我们三维空间中能展示出来的事物;在四维空间中,瓶口将进入第四维,然后再和瓶底连接,不会与任何自身平面相交。

在几何学中,还有一个著名的麦比乌斯带,把一张长长纸条,一边旋转180°后再与另外一端连接。麦比乌斯带上的小人,可以爬遍麦比乌斯带的所有平面,而无需绕过边界,是一个非常有趣的拓扑图形。

数学中的麦比乌斯带是非欧平面物体,但是要制造麦比乌斯带,需要把纸条一方翻转180°,这一操作需要在三维空间中完成,所以麦比乌斯带是可以制作的。

真正克莱因瓶需要在四维以上的空间中展现,不然必定会破坏平面的完整性,这是在三维空间中无法完成的,所以我们无法制造克莱因瓶。

人类能观察到的宇宙,由三维空间+一维时间组成,人类目前的科学技术,还无法探测到第四维空间的存在,甚至连第四维空间存不存在都不得而知。

只是在一些前沿的物理理论中,预言了高维空间的存在,比如弦理论就认为,我们宇宙由十维空间和一维时间组成,只是在宇宙大爆炸时,只有三个空间维度展开了,其余的空间维度蜷缩在普朗克尺度。

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