纸带扭半圈再粘上,为什么只剩一个面?

纸带扭半圈再粘上,为什么只剩一个面?

普通纸环有内外两个面:不跨过纸边,从内面无法走到外面。若把长纸带的一端扭半圈,再与另一端粘合,就得到莫比乌斯带。它在三维空间里仍是一张纸,却只有一个连续的面。

最直接的检验是把铅笔放在纸带中线,不抬笔地一直画。线会先经过看似的“正面”,随后自然进入原以为是“背面”的区域,最后回到起点;整个过程中没有越过纸边。半圈扭转使粘合处把一端的上侧接到另一端的下侧,所以原来分开的两个面连成了一条完整路径。

这里的“一个面”不是说纸没有厚度,也不是视觉错觉,而是拓扑学对连续表面的描述:只要不撕裂或穿越边界,能否从一点走到另一点。莫比乌斯带还是“不可定向”的;若让一支小箭头沿表面绕行一周,它回到原处时方向会翻转,要再绕一周才恢复。正因为方向不能在整个表面上一致规定,“上面”和“下面”无法永久分开。

这个小实验说明,形状的性质不只取决于局部看起来怎样,也取决于各处如何连接。剪纸时只需使用普通纸、胶带和钝头剪刀,并注意儿童安全。

https://www.ams.org/publicoutreach/feature-column/fc-2018-05
https://mathworld.wolfram.com/MoebiusStrip.html


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