ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 29.04.2024
Просмотров: 8
Скачиваний: 0
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Лист Мёбиуса.
История.
Август Фердинанд Мёбиус (1790-1868) - ученик великого Гаусса, известный геометр, профессор Лейпцигского университета, директор обсерватории.
Существует несколько мнений о появлении легендарной ленты Мёбиуса:
1. Первая версия утверждает, что знаменитую ленту профессор изобрел когда поступал на повара в кулинарный университет.
2. Вторая версия утверждает, что ленту профессор открыл в конце своей жизни и не дождался момента опубликования статьи.
3. Третья версия утверждает, что одновременно с Мёбиусом ленту открыл еще один учёный.
4. Четвертая же предполагает, что натолкнула Мёбиуса на создание своего творения служанка, неправильно слепившая концы ленты.
Так, или иначе, сейчас у нас есть незамысловатая, но поистине удивительная лента Мёбиуса - один из символов бесконечности.
Лента Мёбиуса
Лист Мёбиуса (ле́нта Мёбиуса, петля́ Мёбиуса) — топологический объект, простейшая неориентируемая поверхность с краем. Попасть из одной точки этой поверхности в любую другую можно, не пересекая края.
Пример ленты Мёбиуса:
"Сделать" Ленту Мёбиуса несложно, я бы даже сказала просто.
Поэтому удобнее просто рассмотреть ленту Мебиуса поближе. Берем бумажную полоску, перекручиваем полоску в пол-оборота поперек (на 180 градусов) и склеиваем концы:
Так почему же ленту Мёбиуса называют "одним из символов бесконечности"? Данный лист обладает интересным свойством:
Ставим в каком-нибудь месте на полоске точку фломастером. А теперь прочерчиваем вдоль всей нашей ленты линию, пока вам не встретится вновь ваша точка. Вам нигде не пришлось переходить через край – это и называется односторонней поверхностью.
Посмотрите, как интересно проходит прочерченная вами линия: она то внутри кольца, то снаружи! А теперь измерьте длину этой линии - от точки до точки.
Удивляетесь?
Она оказывается в два раза длиннее первоначальной полоски бумаги!
Так и должно быть, ведь у вас в руках лента Мебиуса! А у ленты Мебиуса есть только одна сторона, и мы опять скажем – это односторонняя поверхность с краем. А если по этой черте заставить ползти, не сворачивая, муравья, то вы получите копию картины художника Мориса Эшера.
Бедный муравей на бесконечной дороге!
А можно сделать две немного разные ленты Мебиуса: у одной перекручивать перед склейкой полоску по часовой стрелке, а у другой – против часовой стрелки. Так различаются правая и левая ленты Мебиуса.
Несколько сюрпризов:
1. Разрежьте ленту Мебиуса вкруговую по центральной линии. Не бойтесь, она не развалится на две части! Лента развернется в длинную замкнутую ленту, закрученную вдвое больше, чем первоначальная. Почему лента Мебиуса при таком разрезе не распадается на отдельные части?
Разрез не касался края ленты, поэтому после разреза край (а значит и вся полоска бумаги) останется целым куском.
2. Полученную после первого опыта ленту Мебиуса (закрученную вдвое больше, чем первоначальная, т.е. на 360 градусов) вновь разрежьте по ее центральной линии.
Что получится?
У вас в руках окажутся теперь две одинаковые, но сцепленные между собой ленты Мебиуса.
3. Сделайте новую ленту Мебиуса, но перед склейкой поверните ее не один раз, а три раза (не на 180 градусов, а на 540). Затем разрежьте ее вдоль центральной линии. Что получилось?
У вас должна получиться замкнутая лента, завитая в узел трилистника, т.е. в простой узел с тремя самопересечениями.
4. Если вы сделаете ленту Мебиуса с еще большим числом полуоборотов перед склейкой, то получатся неожиданные и удивительные фигуры, называемые парадромными кольцами.
5. Если разрезать ленту Мебиуса, не посередине, а отступая от края приблизительно на треть её ширины, то получатся две сцепленные ленты, одна — более короткая лента Мебиуса, и другая — длинная лента Мебиуса с двумя полуоборотами.
Лента Мёбиуса в нашей жизни
Научные открытия нередка вдохновляют поэтов на написание прекрасных произведений, и нашего героя не обошла данная традиция. Взять к примеру стихотворение Н.Ю. Ивановой:
Лист Мебиуса - символ математики,
Что служит высшей мудрости венцом…
Он полон неосознанной романтики:
В нем бесконечность свернута кольцом.
В нем – простота, и вместе с нею – сложность,
Что недоступна даже мудрецам:
Здесь на глазах преобразилась плоскость
В поверхность без начала и конца.
Здесь нет пределов, нет ограничений,
Стремись вперед и открывай миры,
Почувствуй силу новых ощущений,
Прими познанья высшего дары:
Познай любовь и ненависть изведай,
Низвергнись в ад – тотчас увидишь рай.
Ты в одночасье насладись победой
И горечь пораженья испытай.
На грани бесконечного блаженства
Испытывая суеверный страх,
Найдешь свой путь. Достигнув совершенства,
Окажешься в таинственных мирах.
И, вдохновленный этим дерзновеньем,
По экспоненте поднимаясь в высь,
Ты ощутишь восторг освобожденья,
Почувствуешь, как возникает Мысль.
Покажется, что распростерлась Вечность,
Что взломан Мироздания пароль.
И вдруг твое стремленье в бесконечность
Тебя вернет к исходной точке: в ноль.
Как о порог, об этот ноль споткнешься.
Но как бы ни был прежний путь тернист,
Вновь выбирай (и ты не ошибешься!)
Путь в бесконечность – Мёбиуса лист.
3. Лист Мёбиуса в Астрономии
Неизведанная Вселенная
Если космический корабль полетит все время прямо, никуда не сворачивая, то будет ли он все более удаляться от Земли?
"Не обязательно, -- решил Эйнштейн. -- Корабль может вернуться, даже если он все время будет лететь прямо".
Чтобы понять парадокс Эйнштейна, начнем с несчастного пойнтландца. Вся его вселенная -- это одна-единственная точка, имеющая нуль измерений.
Обитающий на одномерной линии лайнландец подобен червяку, ползущему по канату: если канат бесконечен, то он может путешествовать сколь угодно далеко как в одну, так и в другую сторону.
Но если канат замкнут наподобие окружности, то вселенная нашего лайнландца неограниченна, хотя и имеет конечную длину. В какую бы сторону ни полз червяк, он непременно вернется в исходную точку.
Флатландец обитает на двумерной поверхности. Если его вселенная -- бесконечная плоскость, то он может путешествовать на любые расстояния в любом направлении.
Но если поверхность, на которой он обитает, замкнута наподобие сферы, то она также неограниченна и конечна. В какую бы сторону ни отправился флатландец, двигаясь все время прямо и никуда не сворачивая, он непременно вернется туда, откуда начал свой путь.
Мы с вами "солидландцы", обитающие в трехмерном мире. Возможно, наш мир простирается бесконечно далеко в каждом из направлений.
Но, может быть, наша Вселенная изогнута в пространстве большего числа измерений и потому неограниченна и конечна? В такой Вселенной, как и полагал Эйнштейн, космический корабль, все время летящий прямо, мог бы вернуться к месту старта. Когда флатландец совершает кругосветное путешествие по сфере, он как бы движется по полоске, склеенной в кольцо без перекручивания.
Но если флатландец путешествует по листу Мёбиуса, то происходит нечто странное. Полоборота, на которые перекручено полотно листа, как бы переворачивают флатландца на другую сторону: вернувшись в исходную точку, он обнаруживает у себя сердце не слева, а справа!
Если наше пространство перекручено наподобие листа Мёбиуса, то вернувшийся на Землю астронавт может оказаться собственным зеркальным отражением.
Астрономы пока не пришли к единому мнению относительно того, замкнута ли наша Вселенная, как полагал Эйнштейн, или открыта. Ответ на этот вопрос зависит от того, какова масса Вселенной. Согласно общей теории относительности, масса приводит к искривлению пространства -- чем больше масса, тем больше кривизна пространства. Большинство специалистов по современной космологии считают, что массы Вселенной недостаточно для столь сильного искривления пространства, которое привело бы к его замыканию. Но вопрос пока остается открытым, поскольку ни природа-вещества, ни распределение его плотности во Вселенной не известны. Не исключено, что во Вселенной имеется "скрытая масса", вполне достаточная для замыкания пространства. (Например, подозревают, что нейтрино обладают положительной массой покоя, в то время как раньше их масса покоя считалась равной нулю.)
Не существует никаких данных, позволяющих утверждать о том, будто наше пространство перекручено, как лист Мёбиуса. Тем не менее ученые, занимающиеся космологией, охотно рассматривают различные модели пространства, в том числе и модели с кручением. Для того чтобы понять, каким образом флатландец, совершив кругосветное путешествие по листу Мёбиуса, переходит в свое зеркальное отражение, важно не упускать из виду одно существенное обстоятельство: нулевую толщину листа Мёбиуса. Любая бумажная модель листа Мёбиуса в действительности представляет собой объемное тело, так как бумага имеет конечную толщину. Мы же должны исходить из предположения о том, что идеальный лист Мёбиуса имеет нулевую толщину.
Плоская фигура, начерченная на идеальном листе Мёбиуса, напоминает фигуру, начерченную чернилами, которые проходят сквозь бумагу, делая контур видимым с двух сторон: она начерчена одновременно с двух "сторон" листа, а не только с одной "стороны", как бы погружена в его поверхность пулевой толщины. Вернувшись в исходное положение после обхода листа Мёбиуса, такая фигура переходит в свое зеркальное отражение. Разумеется, при повторном обходе она вновь принимает свой первоначальный вид. Аналогичным образом астронавт, вернувшись из кругосветного путешествия в пространстве с кручением, оказался бы зеркальным двойником самого себя и, лишь совершив повторное кругосветное путешествие, смог бы "прийти в себя".
Если вас заинтересовали парадоксальные свойства листа Мёбиуса, то вам, возможно, покажутся интересными две другие не менее парадоксальные поверхности -- бутылка Клейна и проективная плоскость -- и.вы захотите изучить их подробнее. Обе поверхности односторонние, но в отличие от листа Мёбиуса не имеют краев. Бутылка Клейна тесно связана с листом Мёбиуса, так как, разрезав ее пополам, мы можем получить два зеркально-симметричных листа Мёбиуса. Флатландец, обитающий на поверхности бутылки
Клейна или на проективной плоскости, совершив кругосветное путешествие, переходит в свое зеркальное отражение (см. главу 2 моей "Шестой книги математических игр" из журнала Scientific American) [Gardner М. Sixth Booh of Mathematical Games from Scientific American.-San Francisco, 1971.]. Классической книгой о жизни в двумерном пространстве по праву считается "Флатландия" Эдвина Э. Эббота. Ее продолжение -- "Сферландию" -- написал Дионис Бюргер [Эбботт Э. Флатландия. Бюргер Д. Сферландия. - M.: Мир, 1976.].
Возможно, вам понравится фантастический рассказ Г. Уэллса "История Платтнера" -- о человеке, побывавшем в четвертом измерении и вернувшемся на Землю своим зеркальным двойником -- с сердцем, расположенным справа.
Лист Мёбиуса в философии
«Парадокс лгуна»
Лента Мёбиуса - это кольцо, которое в каждой точке имеет соответственно по две составляющие протяжённость грани. Протяжённости идут параллельно кольцу. Конец одной грани соединяется с началом другой. Так две грани образуют второе кольцо, дважды обёрнутое вокруг основного. Поэтому бессмысленно различать грань с её противоположностью в контексте всего пространства граней точек основного кольца. Истину или ложь утверждает человек, который говорит «я лгу», и больше ничего не говорит?
