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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克莱因瓶克莱因瓶定向的二维紧流形。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。在二维看似穿过自身的绳子在二维看似穿过自身的绳子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°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。三维空间里的克莱因瓶拓扑学的定义编辑克莱因瓶定义为正方形区域[0,1]×[0,1]模掉等价关系(0,y)~(1,y),0≤y≤1和(x,0)~(1-x,1),0≤x≤1。类似于MobiusBand,克莱因瓶不可定向。但Mobius带可嵌入,而克莱因瓶只能嵌入四维(或更高维)空间。莫比乌斯带编辑把一条纸带的一段扭°,再和另一端粘起来就得到一条莫比乌斯带的模型。这也是一个只有莫比乌斯带、一个面的曲面,但是和球面、轮胎面和克莱因瓶不同的是,它有边(注意,它只有一条边)。如果我们把两条莫比乌斯带沿着它们唯一的边粘合起来,你就得到了一个克莱因瓶莫比乌斯带莫比乌斯带(当然不要忘了,我们必须在四维空间中才能真正有可能完成这个粘合,否则的话就不得不把纸撕破一点)。同样地,如果把一个克莱因瓶适当地剪开来,我们就能得到两条莫比乌斯带。除了我们上面看到的克莱因瓶联释放的巨大能量,使得金星大气被加热后加速逃逸。科学界认为,金星上大气的逃逸,是造成金星上缺水而被富含二氧化碳的稠密大气所笼罩,从而导致严重的温室效应的原因。[44]木星是离太阳第五颗行星,而且是最大的一颗,比所有其他的行星木星及其卫星欧罗巴(木卫二)木星及其卫星欧罗巴(木卫二)[45]的合质量大2倍(地球的倍),直径km。它是气态行星没有实体表面,由90%的氢和10%的氦(原子数之比,75/25%的质量比)及微量的甲烷、水、氨水和“石头”组成。这与形成整个太阳系的原始的太阳系星云的组成十分相似。木星可能有一个石质的内核,相当于10-15个地球的质量。内核上则是大部分的行星物质集结地,以液态氢的形式存在。液态金属氢由离子化的质子与电子组成(类似于太阳的内部,不过温度低多了)。木星共有67颗木卫。按距离木星中心由近及远的次序为:木卫十六、木卫十四、木卫五、木卫十五、木卫一、木卫二、木卫三、木卫四、木卫十三、木卫六、木卫十、木卫七、木卫十二、木卫十一、木卫八和木卫九。[46]水星是最接近太阳的行星。水星的半径约为公里,在八大行星中是最小的。水星昼夜温差极大,白天摄氏度,晚上约可达零下度,是太阳系八大行星中温差最大的一个行星。[47]水星的外大气层非常稀薄,是由水星表面和太阳风中的原子和离子构成。[48]科学家体积是如此之大,它的光度也变得很大,极为明亮。红巨星一旦形成,就朝恒星的下一阶段白矮星进发。[70]白矮星,是一种低光度、高密度、高温度的恒星。因为颜色呈白色、体积比较矮小,因此被命名为白矮星。哈勃望远镜观测到白矮星死亡过程哈勃望远镜观测到白矮星死亡过程[71]白矮星是一种很特殊的天体,它的体积小、亮度低,但质量大、密度极高。白矮星是中低质量的恒星的演化路线的终点。在红巨星阶段的末期,恒星的中心会因为温度、压力不足或者核聚变达到铁阶段而停西面。哥白尼答复:由于受到本身重量压力的物体主要属于泥土性质,所以各个部分毫无疑问和它们的整体保持同样的性质。反对理由:如果地球转动,它就会因离心力的作用变得土崩瓦解。如果地球不转动,那么像恒星那些更庞大的星球就必须以极大的速度转动,这一来恒星就很容易被离心力拉得粉碎。哥白尼答复:离心力只在非天然的人为运动中找得到,而在天然的运动中,如地球和天体的运动中,则是找不到的。[2]地心说地心说地心说地心说是长期盛行于古代欧洲的宇宙学说。它最初由古希腊学者欧多克斯(提出“同心球”模型)提出,后经亚里士多德、托勒密进一步发展而逐渐建立和完善起来。托勒密认为,地球处于宇宙中心静止不动。从地球向外,依次有月球、水星、金星、太阳、火星、木星和土星,在各自的圆轨道上绕地球运转。其中,行星的运动要比太阳、月球复杂些:行星在本轮上运动,而本轮又沿均轮绕地运行。在太阳、月球行星之外,是镶嵌着所有恒星的天球——恒星天。再外面,是推动天体运动的原动天。地心说是世界上第一个行星体系模型。尽管它把地球当作宇宙中心是错误的,然而它的历史功绩不应抹杀。地心说承认地球是“球形”的,的宇宙观和杰出的智慧并未能被当时的人们所理解,并被亚里士多德和托勒密的才华之光芒所掩盖,直到16世纪(约年以后),哥白尼才很好地发展和完善了阿里斯塔克斯的宇宙观和理论。古希腊天文学晚期最著名的是亚历山大学派,阿里斯塔克斯是这一学派早期的代表人物。他的大部分著作至今已失传,流传至今的唯一著作,就是关于太阳和月球的体积以及到地球的距离的论著,但是,通过其他人的引证,可以知道他还写了另一本书,在书中他发展了一个变通的日心说的模型。在该文中,他叙述了从日食、月食中月球和地球的阴影比例大小,推测出太阳实际上比地球大得多、月球比地球小。又由月球在上弦和下弦间的夹角,推测出太阳距离地球是月球距离地球的十倍。阿里斯塔克斯认为太阳,月球和地球在每个月的首个或最后的四分之一时期内,构成了一个近似的直角三角形。他估计最大角约为87°。尽管他应用的几何理论没有错,但由于观测数据有偏差,他得出了日地距离是月地距离的20倍的结论。事实上,前者是后者的倍。阿里斯塔克斯指出,月球和太阳有几乎相同的视角,因此他们的直径与他们到地球的距离是成正比的。这符合逻辑。阿里斯塔克斯指出了太阳明显大于地球,恰恰可以用来证明日心说模型。阿里斯塔克斯观察到月球穿过地球的阴影需要一个恒星月的时间。因此他估计到地球的直径是月球的三倍。根据埃拉托色尼所计算的公里的地球周长,他认为月球的周长应为公里。事实上,月球的周长约为公里。阿里斯塔克斯还认为一个大的东西不应该绕小的东西转动,于是他提出了“日心地动说”(可惜未被当代人接受)。他认为地球一方面每天自西向东转一周,导致天体的东升西落景象。另一方面它又在一年中绕太阳公转一周,水、金、火、木、土等行星也是一样绕着太阳公转。他还认为与地球绕日公转的轨道直径相比,恒星几乎在无限远处。因此无法看到由于地球公转而造成的恒星视差现象。关于阿里斯塔克斯的日心说阿里斯塔克斯提出日心论的论文已经遗失。我们之所以知道它的存在,是因为一些后代学者曾经提起,其中最著名的是阿基米德与普鲁塔克(Plutarch)。阿基米德指出阿里斯塔克斯日心宇宙模型的重点为:*太阳与固定的恒星不会运动。*地球绕太阳运行。*地球的轨道为圆形。*太阳位于该圆的中心。*固定的恒星距离太阳与地球极为遥远。罗马历史学家普鲁塔克在两个世纪之后,于论述中提供了更多的细节。他告诉我们,阿里斯塔克斯认为是由于地球每日一周地旋转,给予我们天空绕地球转动的印象。因此,阿里斯塔克显然了解地球是球体,而天空看起来像在旋转,其实是地球每日的旋转所造成的。这或许可以解释为什么一般会认为他是新型天文仪器skaphe的发明者,skaphe是一种碗状日晷,与源自巴比伦人的平面日晷(gnomons)不同,skaphe可正确地追踪太阳在天空中移动的路径。普鲁塔克也告诉我们,阿里斯塔克教导地球沿着“太阳圆周”运行的观念,此即为太阳黄道(ecliptic)的观念。大多数学者认为,阿里斯塔克斯在把地球视为行星后,也将其他行星放到环绕太阳运行的轨道上。阿里斯塔克斯知道他的模型将大幅增加宇宙的大小。若地球并未移动,那恒星就可能落在太阳、月球与行星之外。但若地球沿巨大的圆周绕太阳移动,它有时会比较靠近某些恒星,有时又会离它们较远。除非恒星距离地球极远,否则在地球靠近或远离恒星群时,它们看起来应该会扩大或缩小。但是由于并未发生这种现象,因此地球必然是在极大的宇宙中不断运动。不幸的是,阿里斯塔克斯的宇宙观和理论,当时远远走在时代的前面,因而得不到一般公众的承认,克雷安德斯竟要求希腊人控告阿里斯塔克斯的渎神之罪。之后阿里斯塔克斯的思想学说就像珍贵的戒指被扔入大海般消失无踪。直到哥白尼的出现。伽利略的论证伽利略是通过数学逻辑相信哥白尼。这一点与布鲁诺没有区别。同时,伽利略发明了天文望远镜,一定程度证明了哥白尼的正确。但是,在罗马宗教事务所组织的学术讨论中,伽利略没有战胜自己的对手,导致了最后的悲剧:当时“地球绕太阳”和“太阳绕地球”都有科学证据,而伽利略学说的破绽之一,是科学家探测不到“斗转星移”(StellarParallax)的现象。什么是斗转星移呢?这名堂十分吓人,其实意思很简单。如图一显示,假设星星A和星星B悬浮在太空中,我在地球表面之观察点1仰望星星A和星星B时,它们的距离好像十分接近,如果地球自转,即使我站在原地不动,我将会随着地球移动而去了观察点2,由观察点2看同样两颗星星,它们的相对位置便会改变,由角度Y比角度X大就可以知道。换言之,如果发现有斗转星移的现象,那么地球转动就可以成立;假若没有斗转星移,地球应该是在固定地方。十六世纪时天文学家泰高.巴希(TychoBrahe)以当时最精密的仪器,去探测是否有“斗转星移”,可是看来群星的相对位置和距离好像没有改变,因此地球转动之说不被接纳。但是,伽利略指导数学原则的价值。他始终相信日心说。意义编辑地心说的错误哥白尼的“日心说”发表之前,“地心说”在中世纪的欧洲一直居于统治地位。自古以来,人类就对宇宙的结构不断地进行着思考,早在古希腊时代就有哲学家提出了地球在运动的主张,只是当时缺乏依据,因此没有得到人们的认可。在古代欧洲,亚里士多德和托勒密主张“地心说”,认为地球是静止不动的,其他的星体都围着地球这一宇宙中心旋转。这个学说的提出与基督教《圣经》中关于天堂、人间、地狱的说法刚好互相吻合,处于统治地位的教廷便竭力支持地心学说,把“地心说”和上帝创造世界融为一体,用来愚弄人们,维护自己的统治。因而“地心学”说被教会奉为和《圣经》一样的经典,长期居于统治地位。随着事物的不断发展,天文观测的精确度渐渐提高,人们逐渐发现了地心学说的破绽。到文艺复兴运动时期,人们发现托勒密所提出的均轮和本轮的数目竟多达八十个左右,这显然是不合理、不科学的。人们期待着能有一种科学的天体系统取代地心说。在这种历史背景下,哥白尼的地动学说应运而生了。约在年前,哥白尼为阐述自己关于天体运动学说的基本思想撰写了篇题为《浅说》的论文,他认为天体运动必须满足以下七点:不存在一个所有天体轨道或天体的共同的中心;地球只是引力中心和月球轨道的中心,并不是宇宙的中心;所有天体都绕太阳运转,宇宙的中心在太阳附近;地球到太阳的距离同天穹高度之比是微不足道的;在天空中看到的任何运动,都是地球运动引起的,在空中看到的太阳运动的一切现象,都不是它本身运动产生的,而是地球运动引起的,地球同时进行着几种运动;人们看到的行星向前和向后运动,日心说日心说是由于地球运动引起的。地球的运动足以解释人们在空中见到的各种现象了。此外,哥白尼还描述了太阳、月球、三颗外行星(土星、木星和火星)和两颗内行星(金星、水星)的视运动。书中,哥白尼批判了托勒密的理论,科学地阐明了天体运行的现象,推翻了长期以来居于统治地位的地心说,并从根本上否定了基督教关于上帝创造一切的谬论,从而实现了天文学中的根本变革。他正确地论述了地球绕其轴心运转、月亮绕地球运转、地球和其他所有行星都绕太阳运转的事实。但是他也和前人一样严重低估了太阳系的规模。他认为星体运行的轨道是一系列的同心圆,这当然是错误的。他的学说里的数学运算很复杂也很不准确。但是他的书立即引起了极大的



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