• 
    

    
    

      99热精品在线国产_美女午夜性视频免费_国产精品国产高清国产av_av欧美777_自拍偷自拍亚洲精品老妇_亚洲熟女精品中文字幕_www日本黄色视频网_国产精品野战在线观看 ?

      默比烏斯與古羅馬的默比烏斯環(huán)

      2024-05-23 05:44:37夢隱
      科學(xué)文化評論 2024年1期
      關(guān)鍵詞:環(huán)帶烏斯高斯

      夢隱

      本期封面是德國數(shù)學(xué)家、天文學(xué)家默比烏斯(August Ferdinand Mbius,1790—1868)的畫像。默比烏斯生于德國薩克森州的普福爾塔(Pforta),據(jù)說其家族與宗教改革領(lǐng)袖馬丁·路德有關(guān),他就讀的普福爾塔中學(xué)出了許多名人,包括歷史學(xué)家蘭克(Leopold von Ranke,1795—1886)與哲學(xué)家尼采(Friedrich Wilhelm Nietzsche,1844—1900)。成年后的默比烏斯相繼在萊比錫大學(xué)、哥廷根大學(xué)與哈勒大學(xué)學(xué)習(xí),1815年在數(shù)學(xué)家普法夫(Johann Friedrich Pfaff,1765—1825)指導(dǎo)下完成了題為《恒星之掩星》的博士論文。普法夫也是大數(shù)學(xué)家高斯(Carl Friedrich Gauss,1777—1855)的導(dǎo)師,因此名義上默比烏斯與高斯師出同門;不過高斯比他大13歲,數(shù)學(xué)成就更是其他任何人都無法企及的。

      實(shí)際上,1813年默比烏斯曾向高斯學(xué)習(xí)理論天文學(xué),當(dāng)時高斯已擔(dān)任哥廷根天文臺臺長多年了。1816年,默比烏斯被任命為萊比錫大學(xué)的天文學(xué)與高等力學(xué)教授,直到1868年去世,他一直在這所德國第二古老的大學(xué)工作。同高斯一樣,默比烏斯的表面身份是天文學(xué)家,然而他們兩人的天文學(xué)工作都幾乎鮮為人知,在數(shù)學(xué)領(lǐng)域卻千古留名。以默比烏斯命名的數(shù)學(xué)概念或工具包括默比烏斯平面、默比烏斯變換、默比烏斯函數(shù)、默比烏斯配置、默比烏斯反演等,涉及射影幾何、數(shù)論與拓?fù)鋵W(xué)等多個數(shù)學(xué)分枝,但是最廣為人知的還是他晚年發(fā)現(xiàn)的一種既簡單又奇妙的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),它可以通過把一個長條紙帶旋轉(zhuǎn)180°之后再將兩端粘上制得,這就是被后人稱為“默比烏斯帶”或“默比烏斯環(huán)”的數(shù)學(xué)模型:這是只有一個表面的環(huán)狀物,如果一只螞蟻沿著默比烏斯環(huán)前行,它將永遠(yuǎn)走不到頭;再假如這只螞蟻有意識,它知道順時針或逆時針方向是什么意思,但是游歷一周返回出發(fā)點(diǎn)時卻發(fā)現(xiàn)原先認(rèn)識的旋轉(zhuǎn)方向完全相反了。用拓?fù)鋵W(xué)的術(shù)語講,默比烏斯環(huán)是一個不可定向(non-orientable)的表面;實(shí)際上每個不可定向的曲面都包含一個默比烏斯環(huán)。

      另一位叫利斯廷(Johann Benedict Listing,1808—1882)的德國數(shù)學(xué)家也提出了這一單面環(huán)帶的幾何模型,時間可能還要早幾年,他也是“拓?fù)鋵W(xué)”(Topologie)這一術(shù)語的提出者。不過默比烏斯環(huán)(或帶)的叫法已經(jīng)約定俗成,況且他研究這一題材的軌跡也更為清晰。為了準(zhǔn)備參加法國科學(xué)院有關(guān)多面體幾何理論的競賽,默比烏斯曾考慮通過折疊與粘合三角形來逐步構(gòu)造多面體,在這一過程中發(fā)現(xiàn)了單面曲面。在他身后出版的著作全集里,收錄了一篇未曾發(fā)表的1858年文稿,其中包含了圖1中那種扭轉(zhuǎn)了3、4、5個半圈的環(huán)帶:默比烏斯系統(tǒng)地分析了這類環(huán)帶,發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)180°的次數(shù)如果是奇數(shù),產(chǎn)生的環(huán)帶只有單面;如果次數(shù)是偶數(shù),則環(huán)帶仍然具有正反兩面。默比烏斯環(huán)還有很多特性,這里省略。

      制作一個默比烏斯環(huán)是如此容易,很難想象沒有人更早發(fā)現(xiàn)過它,只不過沒有認(rèn)識其數(shù)學(xué)內(nèi)涵而已。的確,在利斯廷與默比烏斯之前,沒有人從數(shù)學(xué)上去考察它。有趣的是,在意大利的古羅馬時代遺跡森提農(nóng)(Sentinum)的別墅中,人們發(fā)現(xiàn)了一幅公元200—250年前后制作的馬賽克壁畫,畫面中央是羅馬神話中的永恒時間之神,站在一條繪著黃道十二宮的環(huán)帶之中,仔細(xì)觀察,可以發(fā)現(xiàn)這是一條默比烏斯環(huán)。這件藝術(shù)珍品后來被德國人買走,從1828年起就在慕尼黑的古代雕塑博物館展出。默比烏斯或利斯廷是否參觀過這件藝術(shù)品就不得而知了。

      封二圖A就是這幅馬賽克壁畫。永恒時間之神的名字是Aion,有人翻譯成“艾詠”或“艾永”,我則建議譯作“愛永”,其形象通常是一個裸體男性,伴隨象征死而復(fù)生的蛇或周而復(fù)始的輪環(huán)。圖中的愛永站在一個象征時間輪回的默比烏斯環(huán)狀的黃道帶內(nèi),帶面上鑲著代表十二宮的圖形(十二宮的順序不夠準(zhǔn)確)。黃道環(huán)兩側(cè)各有一棵大樹,左邊的枝頭似已結(jié)出果實(shí),右邊正在長出新葉。右側(cè)地面上半臥的女子是羅馬人的大地女神特魯斯(Tellus),相當(dāng)于希臘神話的蓋婭(Gaia),圍繞她的四名孩童象征一年中的四個季節(jié)。

      古羅馬壁畫、雕塑乃至錢幣上都有伴著黃道帶的愛永形象,但是莫比烏斯環(huán)形狀的圖像可能僅此一件。封三圖C是在法國發(fā)現(xiàn)的羅馬時代馬賽克拼嵌地板中的愛永形象,圖中的黃道帶不是默比烏斯環(huán)。

      默比烏斯環(huán)引起許多藝術(shù)家的興趣,最有代表性的就是荷蘭畫家埃舍爾(Maurits Cornelis Escher,1898—1972)了。封二圖B和封三圖D就是他的作品,深得科學(xué)家們的喜愛。李政道在《科學(xué)與藝術(shù)》一文中就引用了埃舍爾的《騎士》圖,以此說明用藝術(shù)手法表達(dá)科學(xué)思想的意義。楊振寧則將它作為自己《基本粒子發(fā)現(xiàn)簡史》(上??茖W(xué)技術(shù)出版社,1963)的封面,借此闡釋物理學(xué)中對稱、互補(bǔ)與締合變換等觀念。

      默比烏斯環(huán)給一些建筑師帶來靈感,同時也成了一些裝潢藝術(shù)家的素材,圖2其實(shí)就是默比烏斯1858年手稿中那個壓扁了的默比烏斯環(huán),現(xiàn)已成為國際公認(rèn)的回收循環(huán)利用標(biāo)志,有許多不同的變體。

      使用皮帶輪作為傳動設(shè)置的工匠可能早就發(fā)現(xiàn)并利用了默比烏斯環(huán)的性質(zhì),因為將長條皮帶扭轉(zhuǎn)半圈后再聯(lián)結(jié)起來,帶子的兩面都會接觸到旋轉(zhuǎn)的輪子,磨損的速度只有正常安裝形式的一半;此外,這種形式的傳動帶也不太容易左右卷曲。對于這種技術(shù)的早期文字記錄可以追溯到1871年,那是在莫比烏斯的著作出版之后;不過中世紀(jì)穆斯林伊斯梅爾·賈扎里(Ismail al-Jazari,1136—1206)的一幅繪圖手稿中就出現(xiàn)了默比烏斯環(huán)狀配置的鏈條泵圖像。

      默比烏斯環(huán)也經(jīng)常出現(xiàn)在科幻小說、電子游戲與影視作品中,通常的梗子就是把宇宙想象成如同默比烏斯環(huán)那樣的構(gòu)造,如《黑暗之墻》。1950年,美國天文學(xué)家多伊奇(Armin Joseph Deutsch,1918—1969)發(fā)表了一篇科幻短篇《一個叫做默比烏斯的地鐵線》(A Subway Named Mobius),描繪波士頓地鐵開辟了一條按照默比烏斯環(huán)設(shè)計的新線路,進(jìn)入這條線路的波士頓MTA86號列車失蹤了,系統(tǒng)管理者搞不明白它如何消失了,更無法解釋它好像仍消耗電力在系統(tǒng)里運(yùn)行。2019年美國華特迪斯尼推出的《復(fù)仇者聯(lián)盟4:終局之戰(zhàn)》(Avengers: Endgame)中,大英雄托尼·斯塔克(Tony Stark)嘗試借由莫比烏斯環(huán)模擬時空攔截與時間指向,竟然獲得成功。

      參考資料

      [1] 李國偉. 默比烏斯把紙帶轉(zhuǎn)了幾圈[A]. 李國偉. 數(shù)學(xué)文化攬勝集(藝數(shù)篇)[M]. 北京: 高等教育出版社, 2004.

      猜你喜歡
      環(huán)帶烏斯高斯
      小高斯的大發(fā)現(xiàn)
      重返當(dāng)下——簡評廖云短篇小說《莫比烏斯》
      紅豆(2022年9期)2022-11-04 03:15:08
      莫比烏斯(短篇小說)
      紅豆(2022年9期)2022-11-04 03:15:02
      CFRP環(huán)帶拉索靜力拉伸試驗及數(shù)值模擬
      莫比烏斯攝影基地
      天才數(shù)學(xué)家——高斯
      蕨類植物孢子囊的結(jié)構(gòu)、功能和演化*
      天王星的光環(huán)系統(tǒng)(二)
      天文愛好者(2016年7期)2016-12-20 09:30:16
      基于同構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量空洞避免策略*
      有限域上高斯正規(guī)基的一個注記
      镇沅| 古浪县| 乐清市| 鄂托克前旗| 平谷区| 平利县| 五莲县| 连城县| 鄯善县| 禄丰县| 南城县| 布尔津县| 临夏县| 垫江县| 三门县| 陇南市| 资溪县| 塔河县| 西藏| 秦皇岛市| 泸水县| 永泰县| 蓝田县| 临安市| 襄樊市| 洛隆县| 房产| 桦川县| 邯郸县| 安阳市| 新泰市| 五寨县| 江安县| 卓尼县| 武宣县| 大港区| 板桥市| 承德市| 中牟县| 长汀县| 永靖县|