克莱因瓶能否制造出来?

据说克莱因瓶在三维空间是不存在的,可是我看到有现实的克莱因瓶可以买到,仔细看好像符合克莱因瓶的构造需求。 这其中到底玄机何在?难道现在能买到的克莱因瓶…
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以下内容直接复制自百度百科:

在数学上,克莱因瓶是一个不可定向的二维紧致流形,而球面或轮胎面是可定向的二维紧致流型。如果观察克莱因瓶的图片,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。但是事实却非如此。
事实是: 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,只好把它表现得似乎是自己和自己相交一样。事实上,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,而且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,这是一个事实上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。

有人说搜了也不懂,我就试着提炼一下(个人感觉扭结这个比方很形象):

扭结:

是存在于三维世界中的几何结构,它的 闭合、连续、不与自身相交重合 的。

如果要在 二维世界 中把它表现出来给你看,你会看到这样:



在二维平面中它 不得不 成了不连续的断裂状态,或者是与自身重合。

(事实上上面两张图亦如是,只是因为它们的3D效果,姑且当是我们从图中看到了一个真正意义上的扭结。)

所以克莱因瓶同理。

在三维世界中,将它表现出来是这样:瓶颈穿过了自身与瓶底相接。



但是在一个真正意义上的,在四维世界中的克莱因瓶不是这样的,它的瓶颈是通过第四维和瓶底相接的,并不需要穿过自身。

所以, 真正意义上的、完全符合其几何定义的克莱因瓶不能在三维世界中制造出来,但是这些制造出来的,它能表现出克莱因瓶的重要(而非全部)几何特征 ,以供人理解。这个再次类比回去就是,在纸上画出来的一个扭结,并不完全符合扭结这个几何结构的全部定义,但是它表现出了部分特征,所以我们看到它的图像,自然会懂这是一个扭结。

回答楼主的疑问,图片来自

wiki

克莱因瓶的确可以买到,但是你会发现能买到的克莱因瓶,上面都开了一个让人很不爽的洞。为什么会这样呢?咱们来看看它是如何构造的:

首先,题主要拿出一张矩形白纸,把左沿和右沿按红色箭头同向黏在一起,成为一个圆柱形的侧面,这一步非常容易办到。

然后,要把圆柱形的上底和下底黏在一起。容易想到的黏结方式是把圆柱掰弯然后连成一个呼啦圈形状的环形(Torus),但是如果你仔细观察上底和下底,就会发现黏结处两边的蓝色箭头是相反的。

要获得一个Klein瓶,必须保证蓝色箭头黏结在一起时箭头朝向相同。无论你怎么试,这一点在三维空间中都不能办到。所以只能退而求其次,在柱面上开一个洞,把一头伸进去,从里面黏上。


从上面的构造来看,真正的克莱因瓶(Klein Bottle)是光滑的,最多只有两条黏接细缝,但现在多了个洞是咋回事!!!它们不是真正的克莱因瓶,只是一种三维空间无法顺利表达它的妥协之举。

根据上面的构造,克莱因瓶和莫比乌斯带有一个相似的地方,就是不分内外面(图片来自

拓扑学与克莱因瓶

):

从上面的口进去,就从曲面外部光滑、顺利地跑到了曲面内部,这一点在咱平时可见的三维几何体上可不多见,它们内外分明。而且, 真正的克莱因瓶是不开洞办到这一点的