数学家如何通过拓扑学验证莫比乌斯环嵌入空间的问题

制图：Olena Shmahalo/Quanta Magazine来历：举世科学在数学中，无限的空间应当可以包容无限多的东西，从原子、细菌到无限多的行星都不在话下。可是，莫比乌斯环（Möbius band）是个 gt6看世界

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来历：举世科学gt6看世界

在数学中，无限的空间应当可以包容无限多的东西，从原子、细菌到无限多的行星都不在话下。可是，莫比乌斯环（Möbius band）是个破例。莫斯科州立大学的数学家Olga Frolkina最近证明了，闻名的莫比乌斯环不能被无限次地压缩进无限大的空间中。在这篇精（bu）彩（ming）纷（jue）呈（li）的文章中，你将看到数学家怎么经过拓扑学验证莫比乌斯环嵌入空间的问题。gt6看世界

不同的无限，巨细也不尽相同。从1到无穷大的自然数调集便是最小的无限之一。自然数的调集是可数的。任何一组无限的目标，例如将无限多的原子、行星放进三维空间里，它都是可数的。理论上，你可以给一切的行星编号。gt6看世界

有些数集太大而无法将其间的目标逐个列出。例如，实数包含数轴上的每一个点，乃至像π这样古怪的、具有无尽不重复小数部分的点也在内。运用由19世纪德国数学家康托尔提出的对角化（diagonalization）论证法，咱们可以证明，即使是一个无限大的实数列表，也或许是不完整的。实数集显着大于自然数集。它是“不行数”的无限，或简称“不行数”。gt6看世界

变具象的数学gt6看世界

尽管如此，不行数的目标调集依然可以存在。幻想一下，怎么把一个不行数的圆筒调集塞进三维空间，而不让它们相互触摸。要做到这一点，你只需将一切的圆筒置于同一个轴上，使它们的直径别离对应于数轴上不行数点中的一个。这些圆筒会像一套数不尽的俄罗斯套娃，由内而外嵌套在一起。gt6看世界

乍一看，好像莫比乌斯环能以类似的办法嵌套在一起。可是假如你试着在一个莫比乌斯环里边嵌套第二个环，你会发现第二个环将在第一个环的外部闭合。gt6看世界

关于上述的圆筒，咱们很简单能区别它的内外侧。而这关于莫比乌斯环是不行能的，由于它是一类被称为非定向流形（non-orientable manifold）的有形数学目标——当你绕着它在空间中转一圈时，是无法区别固定的内外侧的。gt6看世界

Frolkina尽管证明了莫比乌斯环无法像圆筒相同嵌套在一起，但并没有否定它们能以更奇妙的办法嵌套的或许性。这一证明的亮点在于，它向咱们展现了莫比乌斯环无法像圆筒那样嵌套的原因。gt6看世界

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Frolkina的成果立足于一个名为点集拓扑学（point-set topology）的范畴。在上世纪50至60年代，数学家们相继证明了将一系列物体（例如圆盘、中空球体）嵌入进三维空间的理论。gt6看世界

可以说，研讨者们正在使笼统的数学变得具象。拓扑学有点像简化的几何学：重要的不是准确的形状和间隔，而是大规范的结构。gt6看世界

两种嵌入办法gt6看世界

在几何学中，球面是空间中与一个原点等距的一切点的调集，但在拓扑学中，将前面的结构随意揉捏、拉伸变形，只需不将其撕裂或许粘合，它都算是一个球面。在空间中准确定位拓扑球的办法被称为嵌入。一个球可以以许多不同的办法嵌入三维空间，不管是像肥皂泡相同的完美圆球形、延展成腊肠相同的形状，仍是像变形虫的细胞膜相同摇晃改变，只需这些形状满足球的界说即可。gt6看世界

上面比如中的嵌入被称为“驯良”嵌入（tame embedding）。驯良嵌入可以在整个空间内延展，因而拉伸或揉捏空间，可以使嵌入球面变为规范圆球形。gt6看世界

与此相对应，“非驯”嵌入（wild embedding）则很难可视化，一般需求运用无限来进行描绘。非驯嵌入版的球面无法经过空间变形转化成圆球形。gt6看世界

例如，为构建亚历山大带角球（Alexander horned sphere），首要需从一个类似于甜甜圈外表的圆环上切下一段，在堵截后留下的空地两边别离衔接两个互锁的圆环面，并如此重复：堵截每个次级圆环，刺进一对互锁的小圆环，随后堵截更小的圆环。无数次履行这个置换进程后，你就可以得到亚历山大带角球。尽管证明该目标在拓扑学上是一个球体并不繁琐，但它对错驯嵌入的。将它扩大后，你能在越来越小的规范上看到互锁的“角”。gt6看世界

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非驯嵌入的亚历山大带角球gt6看世界

像亚历山大带角球那样的非驯嵌入很难被塞进空间里。早在20世纪中叶，数学家R.H.Bing就证明了假如嵌入是驯良的，就可以将不行数无限的球面和圆环面不堆叠地嵌入三维空间。可是，圆盘就大不相同了：将不行数的圆盘不堆叠地嵌入空间中是可行的，不管它们是否驯良。gt6看世界

三维与更高维度gt6看世界

那么莫比乌斯环可以像这样被嵌入空间中吗？1962年，俄罗斯数学家Victor Vasilievich Grushin 和 Victor Pavlovich Palamodov证明了，不行数个驯良嵌入的莫比乌斯环无法被不相交地嵌入进三维空间中。可是，这对非驯嵌入的莫比乌斯环是否相同建立仍无定论。gt6看世界

Frolkina参阅了他们和Bing等点集拓扑学家的作业，将定论延展到了非驯嵌入的莫比乌斯环上。她在论文平分解了嵌入的外表，并剖析了这些切片在空间平散布的办法。gt6看世界

Frolkina还在高维空间中研讨了类似问题。她考虑了n维（n≥3）的非定向流形，并指出：这些流形中只要可数的办法可以驯良地嵌入n+1维的空间中。gt6看世界

她的作业并没有包括这些高维情况下的非驯嵌入。可是，莫斯科斯泰克洛夫数学研讨所的数学家Sergey Melikhov审理了她的论文后，扩展了她的作业。Melikhov运用更笼统的代数办法消除了Frolkina的定论在更高维度中的驯良约束。二者的作业证明了不管是运用非驯仍是驯良嵌入，将不行数无限个非定向流形压缩到空间中都是绝无或许的。gt6看世界

点集拓扑的研讨已不及60年代风景，可是Melikhov以为在另一个活泼的拓扑研讨范畴——纽结理论中，一些敞开性问题具有“点集风格”。深化了解非驯嵌入或许在这一范畴内非常有用。从某种意义上说，纽结理论中遍及存在着非驯性，由于大多数纽结都对错驯嵌在周围的空间中的。这些非驯嵌入招引了Frolkina，由于它们挑战了人类了解的极限。拓扑学家一般把他们的研讨限制在符合直觉的空间问题上，可是“当你发现一个非驯的目标，或许一个与你的直觉相对立的目标时，转折点就呈现了。”gt6看世界