为什么只有
三维能打结
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纸上打不了结,到了四维,结又系不住。只有我们住的三维空间,绳子才打得成结。为什么偏偏是三维?先说好,这里的结是数学家说的那种:打好结,把绳子两头接起来,变成一个圈。
两头不接,捏住一头往回抽,什么结都能解开。好,咱们换几个世界,挨个试一试。头一个世界是扁的,只有前后和左右,没有上下,像一张纸。
你让绳子绕一圈,想让它从自己身上跨过去。可这里没有「上面」可以跨。两段绳子一碰就顶住了,谁也过不去。所以纸上的绳圈,怎么摆都只是一个圈,打不出结。
回到我们的三维世界。多了上下,绳子终于能从自己上面跨过去。这就像修立交桥。平地上两条路相交,只能撞在一个路口;修了桥,一条在上,一条在下,谁也不碰谁。一个结,就是一圈路上有好几座这样的桥,上下交错。
想解开它,就得把某座桥的上下对调。可绳子穿不过绳子,就像桥穿不过桥。所以结就卡死在那儿,越拉越紧。这个东西,数学里叫「纽结」。
画纽结,就画一个圈加几处交叉:压在下面那段断开一点,表示从底下钻过去。每一处交叉,就是一座立交桥:哪段在上,哪段在下,是整个结的全部秘密。再往上走一层,去四维世界。
它除了前后、左右、上下,还有第四个方向。我们画不出来,就用颜色来代替。绳子往第四个方向挪一点,就变一点色。这是示意。现在,把桥上那段绳子往第四个方向挪一下,它变成了红色。
红绳和白绳不在同一层,就像住在两个楼层。红绳从白绳正中间滑过去,一点都不碰。再挪回来,它又变回白色。这座桥的上下,就这么对调了。每座桥都能这么调。结一处接一处松开,最后只剩一个干干净净的圈。
所以三维刚刚好:空间够绳子跨过自己,又不够它溜走。不过到了四维,换一张薄膜,比如气球的皮,反而能打成结。东西本身是几维,空间再多两维,它就开始能打结了。绳子是一维,所以要三维。
你系过最难解开的一个结,是在哪儿?
结要先接成一个圈
两头空着的绳子,捏住一头往回抽,什么结都能解开。
所以数学家说的结,是把两头接上的绳圈。
接上以后,不剪断就没法靠抽来解开。
纸上,绳子跨不过自己
一个扁的世界只有前后和左右,没有上下,像一张纸。
绳子绕一圈,想从自己身上过去。可这里没有「上面」,两段一碰就顶住了。
纸上的绳圈,
怎么摆都只是一个圈。
三维,像修了立交桥
多了上下,绳子终于能从自己上面跨过去。平地上两条路只能撞在一个路口;修了桥,一条在上,一条在下,谁也不碰谁。
一个结,就是一圈路上有好几座这样的桥。想解开,得把某座桥上下对调,可绳子穿不过绳子。
所以结卡死在那儿,越拉越紧。
数学里管它叫「纽结」,研究它的学问叫纽结理论。画纽结时,压在下面那段断开一点,表示从底下钻过去。
四维,绳子能穿过绳子
四维世界还有第四个方向。我们画不出来,就用颜色代替:绳子往那边挪一点,就变一点色。这是示意。
把桥上那段往第四个方向挪,它变红。红绳和白绳不在同一层,像住在两个楼层,红绳从白绳中间滑过去,一点都不碰。挪回来,桥的上下就对调了。
每座桥都这么调,结最后只剩一个干净的圈。
三维刚刚好
三维的空间,够绳子跨过自己,又不够它溜走。
不过换一张薄膜,比如气球的皮,到了四维反而能打成结。
东西本身是几维,空间再多两维,它就开始能打结。
绳子是一维,所以要三维;薄膜是二维,所以要四维。数学家 Zeeman 在 1960 年证明了这条规律。
小测验
到了四维,绳结为什么会自己散开?
多了第四个方向,桥上那段能从别的楼层滑过去,每座立交桥的上下都能对调,结就一处接一处松开。