你见过克莱因瓶吗?某宝就有,很便宜,号称是仿造四维空间构造的,你永远也无法将它装满水。
克莱因瓶是一个瓶子的瓶颈延长,并从瓶身侧面穿入瓶中,再从瓶底穿出,进水口就在瓶底的一种结构形式。
惊讶于传说中的神奇,网上不少小伙伴都曾经买过这种仿造的克莱因瓶来装水测试,大多数人确实都无法装满,因此早早就“投降”,承认这个克莱因瓶永远无法装满水,如下图。
这个瓶子要装满很简单,把它竖起来,然后从进口喷水,或者伸一个软管进去加水就可以把瓶子装满。这是因为竖起来以后,水就会先占满瓶底空间,先把空气排出。
不过先不要高兴,这个并不是真正的克莱因瓶,真正的克莱因瓶是造不出来的。克莱因瓶最早是德国几何学大家菲利克斯·克莱因提出的,这是一种无定性的平面,在三维空间看起来像瓶子而已。
真正的克莱因瓶的延长瓶颈其实并没有穿过瓶子内壁,瓶颈与瓶身侧面没有相交,而是从四维空间扭曲穿过,并与瓶底部相连。但是在三维空间无法体现,所以我们会觉得它穿透了瓶身到达瓶底。
如果不好理解,你可以做一个莫比乌斯环或者找一个莫比乌斯环的图片来看,就能理解内外同一个平面了。当然,克莱因瓶要比莫比乌斯环更加复杂。
有趣的是,如果把克莱因瓶对称地切开就会得到两个莫比乌斯环。莫比乌斯环我们现实世界可以造出,但是克莱因瓶却无法造出来。这是因为莫比乌斯环是二维的,它在三维空间中可以无限扩展,跨越多个二维空间。
而同理,克莱因瓶是三维的物体,它需要在更高一维空间,跨越数个三维空间才能无限延伸、扭曲,否则只能是瓶颈穿过瓶子侧面到达底部的伪克莱因瓶。