耳机线打结也是拓扑学?日常现象背后的神奇定理

作者: Ent

来源: 果壳网

发布日期: 2016-10-05

本文通过多个日常生活中的例子,解释了拓扑学中的几个有趣定理,如毛球定理、火腿三明治定理、国际日期变更线定理等,展示了拓扑学在现实生活中的应用。

拓扑很高大上?今天的研究解读完全没看懂?其实,它有最接地气的定理……

定理:你永远不能理顺椰子上的毛。想象一个表面长满毛的球体,你能把所有的毛全部梳平,不留下任何像鸡冠一样的一撮毛或者像头发一样的旋吗?拓扑学告诉你,这是办不到的。这个定理被称为“毛球定理”,由布劳威尔首先证明。用数学语言来说就是,在一个球体表面,不可能存在连续的单位向量场。这个定理可以推广到更高维的空间:对于任意一个偶数维的球面,连续的单位向量场都是不存在的。

毛球定理在气象学上有一个有趣的应用:由于地球表面的风速和风向都是连续的,因此由毛球定理,地球上总会有一个风速为 0 的地方,也就是说气旋和风眼是不可避免的。

毛球定理还有一个意想不到的“应用”是在电子游戏里!很多人在玩第一人称射击游戏的时候会发现一个问题:当你上移鼠标,让你的角色抬头看天的时候,一个手抖就会发现自己的角色瞬间转了一百八十度;另一些游戏里同样的现象会发生在朝脚底下看的时候。这就是你遭遇了毛球的“旋”。

定理:对于任何一个火腿三明治,一定能切出一刀,使得其中的两片面包和一片火腿都各自分成大小相同的两等分。“任何一个”这个词是很宽松的——组成三明治的食材不必相互接触,每个食材本身也不必是一片而可以是很多片。哪怕你把三明治放进搅拌机打成了酱,或者撕碎了通通喂给鸭子,都没有关系——只要你的三明治分成三部分,那就一定有一刀,能够把每一部分都切成等量的两半。

定理:国际日期变更线是不可或缺的。地球上的时区两两之间是相连的,东八区之后是东九区,再之后是东十区,依此类推——但有一个例外:国际日期变更线。它两边差开了一天。能不能设计出一种不需要国际日期变更线的时区体系?答案是不能,分得再细再繁琐也不行。这是拓扑学中博苏克-乌拉姆定理在一维情况下的推论,该定理是乌拉姆提出的,由博苏克在1933年证明。

定理:握住一个装满咖啡的咖啡杯,在不松手也不洒咖啡的前提下,必须让咖啡杯旋转两圈才能让你的手、胳膊和咖啡杯回到原状。(请勿用热咖啡尝试本实验。)方法:伸出手向前反手握住咖啡杯,然后逐渐向胸前旋转,从腋下穿过,这是第一圈。此时咖啡杯转完了一圈,但胳膊已经扭曲成了奇怪的形状。这时将胳膊抬高,从头顶再转过第二圈,才能让一切复原。

定理:把一张当地的地图平铺在地上,则总能在地图上找到一点,这个点下面的地上的点正好就是它在地图上所表示的位置。也就是说,如果在商场的地板上画了一张整个商场的地图,那么你总能在地图上精确地作一个“你在这里”的标记。

还有耳机线……来,点右边链接回答题目的问题:为什么耳机线总是绕成一团?——没错!都怪拓扑学!!

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