Tuesday, December 18, 2012

莫比乌斯带:积分理论发展的过程中,由于曲面通常有两侧,所以人们要给曲面定个方向才能进行积分

积分理论发展的过程中,由于曲面通常有两侧,所以人们要给曲面定个方向才能进行积分

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小时候手工课,经常有要把纸裁成带然后再粘成环的活要干。这个任务即使对小朋友来说也是很简单的。但有时总会有些马大哈会犯糊涂,在把纸带两端粘成环之前不小心翻了个面,纸环就变得歪歪斜斜的了。
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这也不是什么大事,撕了重粘就好了。但是,既然纸环已经变成这样了,何妨把玩一番呢?要知道,这就是鼎鼎有名的莫比乌斯带。

很多读者应该都知道莫比乌斯带的特别之处:它只有一个面,也只有一条边。在数学上,这样的曲面有一个特别的名字:单侧曲面。怎么证明它只有一个面呢?很简单,我们用红笔在上面沿着它的走向画一条线(不跨越边沿),在笔回到起点的时候,我们会发现红笔已经涂过了纸环的所有面。如图:
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这就可以很好说明莫比乌斯带只有一个面了。
如果我们在普通的纸环上面做同样的操作的话,当笔回到起点时容易知道还有一面没有涂过,所以普通纸环不是单侧曲面,实际上每个人都知道它有两个侧面。
如果我们沿着这条红线把环剪开,会得到什么呢?
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相信很多朋友都知道了,我也就不卖关子了:这个纸环会被剪成一个中间旋转了两个半圈的大纸环:
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但是,可能没有多少人留意到,经过一番摆弄,这个纸环可以变成一个两层的“莫比乌斯带”。之所以要加引号,是因为这个毕竟也是双侧曲面,而不像真正的莫比乌斯带那样是单侧曲面。
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要做到同样的效果,我们也可以用两层纸带用类似做莫比乌斯带的方法来粘贴,只不过两层纸要分别粘贴而已。
好了,回到那个剪了一次的纸环那里去。如果我们再剪一次,会发生什么事情呢?现在这个纸环已经是不是单侧曲面了,所以剪开以后应该至少出现两个环。问题是,那会是怎么样的两个环呢?
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好了,结果出来了,是两个和刚才一样的纸环,不过这两个纸环是套在一起的。
如果我们摆弄一下,能把它们弄成刚才没有开剪之前的大纸环的一个双层版本。
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再摆弄一下,又能把它们弄成一个四层的“莫比乌斯带”。
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可以证明,如果我们这样不停的剪下去,每次剪出来的都是一样的纸环(中间有两圈旋转的),而且都套在一起,还能弄成一个多层的“莫比乌斯带”。一个不大严谨的证明应该是不复杂的。(提示:将每次剪出来的都套成多层“莫比乌斯带”,然后剪开就成了多层的两个半圈旋转大纸环,又能套成多层的“莫比乌斯带”)
那么,这东西有什么用呢?
首先,这东西既然是数学家做出来的,肯定是有理论上的意义的。事实上,这是数学家发现的第一个单侧曲面。
在积分理论发展的过程中,由于曲面通常有两侧,所以人们要给曲面定个方向才能进行积分。但是,当时还没有人知道是否存在这样的曲面,它只有一侧从而无法在它上面确定一个积分的方向。
而莫比乌斯带正是这样的一个单侧曲面,它只有一个侧面从而无法定向。所以这类曲面又有一个名字叫“不可定向曲面”。
由于莫比乌斯带只有一个面,这个面的长度自然就是普通纸环一面长度的两倍了。有人想到将这个特性用到传送皮带上,这样的话就可以把磨损分摊到更多的地方,从而提高皮带的寿命。这个想法还获得了美国的专利。
利用莫比乌斯带的想法获得的专利还不止这一个。还记得那个两层“莫比乌斯带”吗?不记得也没有关系,看下图:
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如果我们把纸带想像成金属带,让电流由其中一个夹子流入而从另一个夹子流出的话,在纸带表面的电流有两个可能的流动方向,而这两个方向的电流产生的磁场恰好互相抵消。也就是说,电流在这个装置流动的时候不会产生磁场,所以也不会有电池感应的现象发生。这就是一个无电感电阻。这种电阻就叫默比乌斯电阻。
莫比乌斯带在艺术和文化作品中也经常被引用,作为“无限循环”的一个象征。国际通用的循环再造标志就是一个绿色的、摆放成三角形的莫比乌斯带。在《哆啦A梦》(小叮当)漫画中,就有一个形状是莫比乌斯带的道具,只要把它放在门把手上,里边的人开门就会回到同一个房间里去。如果我们看科学馆门前的环状雕塑,多半也利用了类似莫比乌斯带的性质,有空的话经过这些雕塑可以数一下这些环有多少个面多少条边沿,我估计绝大部分结果都是1。而至于埃舍尔的例子就更是众人皆知,也不用我饶舌了。
实验室中也有可能产生莫比乌斯带形状的粒子。前不久,一群科学家在Journal of Chemical Physics上发表了一篇论文,其中预言了一种莫比乌斯带形状的碳单质(准确来说应该是石墨烯)。它能抵抗摄氏200度左右的温度,算是相当稳定。由于它莫比乌斯带的结构,它应该是一个偶极子,从而可以形成稳定的晶体。现在就等科学家们把它实际做出来了。
这一切,都是由数学家看到一个粘错的纸环开始的。
Bonus1:
又是来自xkcd的漫画:(http://xkcd.com/381/
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Bonus2:
想要一个金属做的莫比乌斯带的朋友,你们有福了!野驴设计了莫比乌斯带形状的松鼠会纪念品!不过现在订购已经截止了!
莫比乌斯项链,装备后+43敏捷,+46耐力,增加命中等级25点,增加攻击强度86点,再加上松鼠会的松鼠光环,实在是行走在艾泽拉斯大陆和现实世界上的必备佳品啊!
注:根据全国科学技术名词审定委员会在1993年审定公布的数学名词名单,这里所说的“莫比乌斯带”(Möbius Strip)正规译名应该为“默比乌斯带”,但由于前一个说法比较常用,故在文中仍然沿用“莫比乌斯带”的说法。但请有志于写下含有这个词语的论文的同学,正式的写法应该是“默比乌斯带”。
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74 Responses to “莫比乌斯带:只有一面的魔环”

  1. reset 说道:
    单侧曲面,双侧曲面,那么有没有1.5侧曲面呢?1.x侧曲面呢,遐想一下……
  2. CNS 说道:
    我记得默比乌斯带啊,克莱因瓶啊这些过去叫拓扑学吧,不知道现在还叫不叫这个了。
  3. jakeone 说道:
    最早看见这个圆环是小时候在机器猫的漫画里面!嘿嘿,那集故事内容忘了,但这个圆环给我很深的印象!当时就觉得很神奇.不知道还有谁记的这集的内容!哈哈.
    于这个同样印象深刻的机器猫中看到的科普内容是一张白纸上2个点之间最近的距离是怎么走?那是解释空间折叠技术的!
  4. 念嘬 说道:
    看来数学还是根本啊
  5. yiyaahaha 说道:
    想起某次高中语文课,老师振振有词地说万事万物都有两面,我当时只觉得遗憾——这个文科生大概从来都没听说过“莫比乌斯环”。
    • Salma 说道:
      Surprising to think of smoetnihg like that
  6. cxdg 说道:
    莫比乌斯项链,装备后+43敏捷,+46耐力,增加命中等级25点,增加攻击强度86点,再加上松鼠会的松鼠光环,实在是行走在艾泽拉斯大陆和现实世界上的必备佳品啊!
    说得我心动了 可是这带子没有链子 我没有办法装备到颈部啊!
  7. Pan_Kluivert 说道:
    老大 你是哪个学校的?研究生吗?
  8. 一双绣花鞋 说道:
    这个算矛盾空间吗?
  9. 蛋蛋王后 说道:
    原来就是这个东东啊……
  10. angela 说道:
    学习了
  11. wilddonkey 说道:
    最后那个漫画是循环的,是吗?
    踢球的变成被踢的了
    • fwjmath 说道:
      正是如此~~~
    • fwjmath 说道:
      对的~~~正是如此~~~
  12. luck_lament 说道:
    呐呐,问个问题:
    把默比乌斯环放到磁场里,磁通量是多少呢?
    • fwjmath 说道:
      方向都定不了……积不了分啊……
      • aobom 说道:
        这句真专业~
  13. xiao_xiong66 说道:
    让我想到鬼吹灯里胡八一他们在墓中墓里的那个楼梯机关,MAYBE也是根据这个原理做的,哈哈哈哈
  14. fwjmath 说道:
    对的~~~我还没留意到~~~
    可见这是一个多么大的艺术灵感源泉~~~
  15. Ren 说道:
    微软的visual studio的logo就是个莫比乌斯带吧
  16. hulunfu 说道:
    真好玩 以前第一次看到时觉得特别的神奇。
    记得那时说蚂蚁永远爬不出去 后来想想 也可以 从侧面就下去了 呵呵
  17. 乘客 说道:
    作者亲手制作的莫比乌斯环很好哦,让大家看的清清楚楚,不用脑子里很纠结的想半天
  18. laosun 说道:
    这个单侧面性质推广到更高纬度上是什么样子呢?
    • fwjmath 说道:
      有单侧曲面~~~就是克莱因瓶~~~更高维度上的也是存在的~~~可以构造出来~~~但是这就不是我们能想象的了~~~
  19. dimlau 说道:
    我突然想到一件事:我们知道做一个双侧面的鸡蛋饼的模具是下面一个托上面一个盖……那么这个金属莫比乌斯项链,制作他的模具是什么样子的呢?
    • ajd 说道:
      需要有区别吗?
  20. rghk 说道:
    怀念小时候上手工课的日子呀
    请问可以把这篇文章转载到我的博客上吗?
    • fwjmath 说道:
      本文遵循creative-common 署名-非商业性用途-禁止演绎 2.5 中国大陆协议~~~只要你记得在转载的时候写上作者名字和出处,并不要用作商业用途和不要更改内容的话,那就可以了~~~
    • fwjmath 说道:
      还有~~~转载之后麻烦给个地址我去围观一下~~~
  21. Red 说道:
    还能再加冷冻伤害毒伤害这些附加属性吗???
  22. cppapp 说道:
    还有啥其它类型的单侧曲面可以介绍一下吗?比如不是圆环类的……
    • fwjmath 说道:
      比如说克莱因瓶也是单侧曲面~~~它甚至没有边沿~~~可以用两个默比乌斯带拼成~~~
  23. fun 说道:
    温故而知新。
  24. siyuetian 说道:
    原谅我吧,希望不要打击莫比乌斯项链销量。几天前就想说了。
    还有那个牌牌,嗯,不多说了,憋着。。。。。。
    绝无恶意,不过我会关注松鼠会新产品,有合意的就收了。
  25. Aiger 说道:
    莫比乌斯项链,装备后+43敏捷,+46耐力,增加命中等级25点,增加攻击强度86点,再加上松鼠会的松鼠光环,实在是行走在艾泽拉斯大陆和现实世界上的必备佳品啊!
    橙装都带特效的哦~难道是传说中的松鼠光环?
    • atest 说道:
      法系怎么办。。。
    • 泷瀹 说道:
      呵呵~这个适合我~LZ也WOW啊~
  26. siyuetian 说道:
    佛看人,是不是莫比乌斯带,周周始始,跳不出生命的轮回?
    • fwjmath 说道:
      圆环也是周而复始的……周而复始的东西多着呢……
      宗教把现象拿去做比喻可以……但是这些比喻跟科学一毛钱关系都没有……
  27. bluechacha 说道:
    中文不是按音译的么?
    “莫比乌斯带”和“默比乌斯带”有什么区别?
    • fwjmath 说道:
      我也不知道……但是名词就是这样修订的……
  28. 臆疯 说道:
    我觉着莫比默好看多了
  29. sunfield 说道:
    我小时候看的第一本科普画册上就有莫比乌斯带,好怀念阿^^
    • sunfield 说道:
      喜欢后头的应用部分,想出那个默比乌斯电阻真是聪明阿
    • pan83x 说道:
      我记得有一只可怜的老鼠在上面跑啊跑- -
  30. 89度热水 说道:
    剪莫比乌斯带那个记得小学二三年级的时候就在科普报纸上看到过,后来自己回去动手试了下,觉得无比神奇

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