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《鬼吹灯》中悬魂梯彭罗斯阶梯(Penrose Stairs)的构造是什么?

彭罗斯阶梯(Penrose Stairs),由莱昂内尔彭罗斯( Lionel Penrose)和他的儿子罗杰彭罗斯(Roger Penrose)创作。是彭罗斯三角形的一个变式。这是一个由二维图形的形式表现出来的拥有4个90拐
  彭罗斯阶梯(Penrose Stairs),由莱昂内尔·彭罗斯( Lionel Penrose)和他的儿子罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)创作。是彭罗斯三角形的一个变式。这是一个由二维图形的形式表现出来的拥有4个90°拐角的四边形楼梯。由于它是个从不上升或下降的连续封闭循环图,所以一个人可以永远在上面走下去而不会升高。显然这在三维空间中是不可能的。
  
  这个“不可能台阶”是由英国遗传学家列昂尼尔·s·彭罗斯和他的儿子数学家罗杰尔·彭罗斯发明的,后者于1958年把它公布于众,人们常称这台阶为“彭罗斯台阶”。荷兰画家莫里茨·埃舍尔对此深感兴趣,他在他的石版画“攀高和下行”中充分地利用了“彭罗斯台阶”。
  
  悬魂梯,以楼梯的四个角为A、B、C、D点,从其中任意一点下楼梯,最终都会回到原点,这就是《鬼吹灯》里边对“悬魂梯”的描述,胡八一遭遇的“悬魂梯”似乎应该是8字型的,不过那不重要,关键的问题是,这样的情形到底有没有可能在现实生活中发生?看法不一,其中有人提到,在黑暗的环境中,通过巧妙的使用阴影和特殊标志将人引上岔路而毫无觉察,加上本来坡度很小,而石阶很大,只要长度够长,就会造成上坡和下坡的感觉不太分明,从而达到上面的效果。我比较赞同这种观点,不过个人认为应该再加上一个条件,这个楼梯应该是有斜度的,只是斜度太小而不会被人察觉,这样才有可能神不知鬼不觉的转弯或是什么。
  
  潘洛斯阶梯(Penrose Stairs),出现在电影《盗梦空
  
  Penrose traingle间》(Inception)里面的清醒梦境(lucid dream)中,Arthur 展示给Ariadne看的奇怪阶梯,以及Arthur绕到佣兵背后的楼梯间,这是一座无限循环的阶梯。这种不可能出现的物体来自于将三维物体描绘于二维平面时出现的错视现象。其名称Penrose来自于英国数学物理学家罗杰·潘洛斯(Roger Penrose),他于1950年代设计了Penrose triangle,潘洛斯写了几篇文章讨论这些所谓的不可能事件,[1]On the Cohomology of Impossible Figure这篇短文讨论了这些对象的群的上同调。
  
  Ascending and Descending
  
  WaterfallPenrose stairs可视为Penrose triangle的一种变形。有名的Penrose stairs出现在荷兰艺术家M. C. Escher的版画Ascending and Descending,以及Waterfall。本来这些对象不可能实际在三维空间构造出来,因为这些错视和观看角度密切相关,不过可以利用计算机3D绘图做到很接近的程度,毕竟观看者看到的依旧是显示在二维平面屏幕上的图像。
  
  《鬼吹灯》中悬魂梯的构造
  
  悬魂梯的目的很明确,就是要把人困在里面找不到出口。我觉得我们的主要的疑问有三个:
  
  1、悬魂梯的形状。
  
  2、悬魂梯是怎样让人在里面总是打转,无法走出(主要是标记的问题)。
  
  3、悬魂梯高低落差如何给人产生错觉。那么根据这几个点,我们一起来抽丝剥茧,不一定非要下结论,我只是想通过这些疑问和推测找出比较符合逻辑的解决方式。
  
  通过设立abcd四个顶点,a点大于b点大于c点大于d点得到a点一定大于d点即a点高度一定高于d点高度可得出悬魂梯不存在。
  
  公元1858年,德国数学家莫比乌斯(Mobius,1790~1868)和约翰·李斯丁发现:把一根纸条扭转180°后,两头再粘接起来做成的纸带圈,具有魔术般的性质。普通纸带具有两个面(即双侧曲面),一个正面,一个反面,两个面可以涂成不同的颜色;而这样的纸带只有一个面(即单侧曲面),一只小虫可以爬遍整个曲面而不必跨过它的边缘。这种纸带被称为“莫比乌斯带”(也就是说,它的曲面只有一个)。
  
  制作方法
  
  拿一张白的长纸条,把一面涂成黑色,然后把其中一端翻一个身,粘成一个莫比乌斯带。用剪刀沿纸带的中央把它剪开。纸带不仅没有一分为二,反而剪出一个两倍长的纸圈。
  
  莫比乌斯圈
  
  莫比乌斯圈
  
  新得到的这个较长的纸圈,本身却是一个双侧曲面,它的两条边界自身虽不打结,但却相互套在一起。把上述纸圈,再一次沿中线剪开,这回可真的一分为二了,得到的是两条互相套着的纸圈,而原先的两条边界,则分别包含于两条纸圈之中,只是每条纸圈本身并不打结罢了。
  
  莫比乌斯带还有更为奇异的特性。一些在平面上无法解决的问题,却不可思议地在莫比乌斯带上获得了解决。
  
  比如在普通空间无法实现的"手套易位"问题:人左右两手的手套虽然极为相像,但却有着本质的不同。我们不可能把左手的手套贴切地戴到右手上去;也不能把右手的手套贴切地戴到左手上来。无论你怎么扭来转去,左手套永远是左手套,右手套也永远是右手套!不过,倘若你把它搬到莫比乌斯带上来,那么解决起来就易如反掌了。
  
  在自然界有许多物体也类似于手套那样,它们本身具备完全相像的对称部分,但一个是左手系的,另一个是右手系的,它们之间有着极大的不同。
  
  和几何学关系
  
  可以用参数方程式创造出立体莫比乌斯带(如左图)
  
  这个方程组可以创造一个边长为1半径为1的莫比乌斯带,所处位置为
  
  x-y面,中心为(0,0,0)。参数uv从一个边移动到另一边的时候环绕整个带子。
  
  从拓扑学上来讲,莫比乌斯带可以定义为矩阵[0,1]×[0,1],边由在0≤x≤1的时候(x,0)~(1-x,1)决定。
  
  莫比乌斯带是一个二维的紧致流形(即一个有边界的面),可以嵌入到三维或更高维的流形中。它是一个不可定向的的标准范例,可以看作RP#RP。同时也是数学上描绘纤维丛的例子之一。特别地,它是一个有一纤维单位区间,I= [0,1]的圆S上的非平凡丛。仅从莫比乌斯带的边缘看去给出S上一个非平凡的两个点(或Z2)的从。
  
  应用
  
  “莫比乌斯带”在生活和生产中已经有了一些用途。例如,用皮带传送的动力机械的皮带就可以做成“莫比乌斯带”状,这样皮带可以磨损的面积就变大了。如果把录音机的磁带做成“莫比乌斯带”状,就不存在正反两面的问题了,磁带就只有一个面了。它还能平坦的嵌入三维空间。简易的“莫比乌斯圈”可通过一张长方形纸任何一面反转粘贴。
  
  莫比乌斯带常被认为是无穷大符号「∞」的创意来源,因为如果某个人站在一个巨大的莫比乌斯带的表面上沿着他能看到的“路”一直走下去,他就永远不会停下来。但是这是一个不真实的传闻,因为「∞」的发明比莫比乌斯带还要早。
  
  拓扑变换
  
  莫比乌斯带是一种拓展图形,它们在图形被弯曲、拉大、缩小或任意的变形下保持不变,只要在变形过程中不使原来不同的点重合为同一个点,又不产生新点。换句话说,这种变换的条件是:在原来图形的点与变换了图形的点之间存在着一一对应的关系,并且邻近的点还是邻近的点。这样的变换叫做拓扑变换。拓扑有一个形象说法——橡皮几何学。因为如果图形都是用橡皮做成的,就能把许多图形进行拓扑变换。例如一个橡皮圈能变形成一个圆圈或一个方圈。但是一个橡皮圈不能由拓扑变换成为一个阿拉伯数字8。因为不把圈上的两个点重合在一起,圈就不会变成8,“莫比乌斯带”正好满足了上述要求。
  
  在数学领域中,克莱因瓶(Klein bottle)是指一种无定向性的平面,比如二维平面,就没有“内部”和“外部”之分。在拓扑学中,克莱因瓶(Klein Bottle)是一个不可定向的拓扑空间。克莱因瓶最初由德国几何学大家菲立克斯·克莱因 (Felix Klein) 提出。在1882年,着名数学家菲立克斯·克莱因 (Felix Klein) 发现了后来以他的名字命名的着名“瓶子”。克莱因瓶的结构可表述为:一个瓶子底部有一个洞,现在延长瓶子的颈部,并且扭曲地进入瓶子内部,然后和底部的洞相连接。和我们平时用来喝水的杯子不一样,这个物体没有“边”,它的表面不会终结。它和球面不同 ,一只苍蝇可以从瓶子的内部直接飞到外部而不用穿过表面(即它没有内外之分)。
  
  “克莱因瓶”这个名字的翻译其实是有些错误的,因为最初用德语命名时候名字中“Kleinsche Fl?che”是“克莱因平面”的意思。因为翻译问题写成了Flasche,这个词才是瓶子的意思。不过不要紧,“瓶子”这个词用起来也非常合适。
  
  在1882年,着名数学家菲利克斯·克莱因(Felix Klein)发现了后来以他的名字命名的着名“瓶子”。这是一个像球面那样封闭的(也就是说没有边)曲面,但是它却只有一个面。在图片上我们看到,克莱因瓶的确就像是一个瓶子。但是它没有瓶底,它的瓶颈被拉长,然后似乎是穿过了瓶壁,最后瓶颈和瓶底圈连在了一起。如果瓶颈不穿过瓶壁而从另一边和瓶底圈相连的话,我们就会得到一个轮胎面(即环面)。
  
  描述
  
  克莱因瓶是一个不可定向的二维紧流形,而球面或轮胎面是可定向的二维紧流形。如果观察克莱因瓶,有一点似乎令人困惑--克莱因瓶的瓶颈和瓶身是相交的,换句话说,瓶颈上的某些点和瓶壁上的某些点占据了三维空间中的同一个位置。
  
  我们可以把克莱因瓶放在四维空间中理解:克莱因瓶是一个在四维空间中才可能真正表现出来的曲面。如果我们一定要把它表现在我们生活的三维空间中,我们只好将就点,把它表现得似乎是自己和自己相交一样。克莱因瓶的瓶颈是穿过了第四维空间再和瓶底圈连起来的,并不穿过瓶壁。用扭结来打比方,如果把它看作平面上的曲线的话,那么它似乎自身相交,再一看似乎又断成了三截。但其实很容易明白,这个图形其实是三维空间中的曲线。它并不和自己相交,而是连续不断的一条曲线。在平面上一条曲线自然做不到这样,但是如果有第三维的话,它就可以穿过第三维来避开和自己相交。只是因为我们要把它画在二维平面上时,只好将就一点,把它画成相交或者断裂了的样子。克莱因瓶也一样,我们可以把它理解成处于四维空间中的曲面。在我们这个三维空间中,即使是最高明的能工巧匠,也不得不把它做成自身相交的模样;就好像最高明的画家,在纸上画扭结的时候也不得不把它们画成自身相交的模样。有趣的是,如果把克莱因瓶沿着它的对称线切下去,竟会得到两个莫比乌斯环。
 
  
  如果莫比乌斯带能够完美的展现一个“二维空间中一维可无限扩展之空间模型”的话,克莱因瓶只能作为展现一个“三维空间中二维可无限扩展之空间模型”的参考。因为在制作莫比乌斯带的过程中,我们要对纸带进行180°翻转再首尾相连,这就是一个三维空间下的操作。理想的“三维空间中二维可无限扩展之空间模型”应该是在二维面中,朝任意方向前进都可以回到原点的模型,而克莱因瓶虽然在二维面上可以向任意方向无限前进。但是只有在两个特定的方向上才会回到原点,并且只有在其中一个方向上,回到原点之前会经过一个“逆向原点”,真正理想的“三维空间中二维可无限扩展之空间模型”也应该是在二维面上朝任何方向前进,都会先经过一次“逆向原点”,再回到原点。而制作这个模型,则需要在四维空间上对三维模型进行扭曲。数学中有一个重要分支叫“拓扑学”,主要是研究几何图形连续改变形状时的一些特征和规律的,克莱因瓶和莫比乌斯带变成了拓扑学中最有趣的问题之一。莫比乌斯带的概念被广泛地应用到了建筑,艺术,工业生产中。

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