爸爸夏天的时候曾经到中越边境的一个瀑布参观,看到那里的苗银饰物实在便宜,花三十五元顺便买回来了一对银镯子。银镯子式样古朴简单,就是把细银条旋扭相连,在接口处刻上龙头和龙尾。看上去就像是一条龙张大嘴在咬自己的尾巴。
妞妞很喜欢这对镯子,常常拿在手里玩。这天她又把这对镯子戴在手上写作业,突然抬起头问爸爸,“一条龙咬吃自己的尾巴,不停地吃,最后会剩下点什么?”说完狡谲地看着爸爸,心里想,这样的难题可是不容易想出来呀!
“最后就剩一张嘴和一个胃,因为所有的龙身体都被这张嘴吃到胃里面了。”爸爸把正在看的书放到一边,哈哈大笑起来。“刚才是和妞妞开玩笑的,最后应该剩下一个环,就是一个轮胎的样子。”
“我觉得应该只剩下一个肉球球。”妞妞也开始眯起眼睛笑。
“应该是一个中间有眼的肉球球,这和一个环是一样的。”爸爸突然想起了拓扑学上的等价变换,今天的趣味数学就讲一些有趣的拓扑话题好了。“如果我们有一个橡皮球,你能不能把它捏成一个环?”
“可以,在中间打一个洞,然后用劲拉开就行了。”妞妞的回答依旧是很快。
“如果我们不许打眼,不许粘接,可以变形,就像真的橡胶一样,当然弹性可以非常大,有一门数学专门研究这样的几何,我们叫它拓扑学。”
“橡胶几何!”妞妞觉得很好玩。
“对,它的别名就叫橡胶模几何。比方说一只橡胶手套,如果橡胶手套的弹性非常大,我们从它的开口处使劲往外拉,结果能拉成什么呢?”
把手套变成圆盘
“拉、拉、拉……”妞妞嘴里念叨,“先是一个五指山。再拉,山头没了。哇,是一块橡胶膜!”妞妞的话里透出兴奋,这样的问题原来为什么没有想过呢?
“对,非常正确!手套和一张平膜在拓扑学上是等价的。”爸爸说,“我们还是来看一个神奇的纸带吧!”
说着,爸爸拿出剪刀,在一张复印纸上剪下了一条,把对边扭转180°,然后用胶水把它们粘好。
“这就是非常非常有名的莫比乌斯带。”爸爸的话语中有许多的骄傲。“不要小看这个带子,它的出现直接导致了扭曲空间的研究,而空间扭曲对于我们认识宇宙有极大的意义。它是由德国数学家莫比乌斯发现的。还是先让你看看它的神奇之处吧!”
爸爸把纸带交给妞妞,“你拿出彩笔,不要提笔,沿着纸带的中间画一条直线给爸爸看看!”
制作莫比乌斯带
妞妞开始小心地画,心里想不知道爸爸又在设计什么古怪的问题。画着画着,妞妞的笔慢了下来,继而惊叫一声,“咦!怎么把两边都画上了?”
“这就对了,莫比乌斯带只有一个面!既是正面也是反面,或者说既没有正面,也没有反面。有趣吧?如果你用一把漆刷沿着纸带一个方向刷漆,那么你将发现,当漆刷回到起点时,它已将整个纸带的表面都涂满漆了。这可是和我们的直觉完全不一样,对不对?输送带的一面会有较多的磨损,而在莫比乌斯输送带中,两面可以均匀分担磨损,传送带的寿命可以延长一倍。”
爸爸也不等妞妞回答,接着说:“你拿剪刀沿你刚才画的中线剪断,看看又会发生什么有趣的事。”
妞妞小心地沿着纸带方向把莫比乌斯带剪成两半,果然像爸爸所说,神奇的事情发生了!它居然还是一条完整的带子,不过是长了一些、卷曲多一圈而已。
妞妞惊讶得说不出话,好半天都没有明白到底发生了什么事。“咦,太奇怪了!明明是剪破了,怎么还是连在一起呢?”
爸爸在妞妞剪纸带的时候,又做了一个莫比乌斯带,交给妞妞,让她把纸带三等分一下。妞妞这次做的很快。爸爸说:“你再用剪刀沿两根画线剪开,你觉得应该是个什么结果呢?”
妞妞说:“应该还是一个圈圈吧!先剪一刀后,变成一个大圈,再剪一刀变成一个更大的圈。让我剪剪看。”
沿中线把莫比乌斯带剪成两半
