莫比乌斯环

关于莫比乌斯环,我们可以做个试验:找一条纸条,将其扭转180度,然后将两端对接,这样就得到一个莫比乌斯环.
你若细看就会发现一个秘密:假如你站在莫比乌斯环上,向一个方向走,会永远走不到头.因为莫比乌斯环只有一个面!当然在理想条件下啦.
因为现实中纸条都有一定的厚度啦。
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。
如果我们沿着这条红线把环剪开,会得到什么呢?
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。

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。

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。


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