回到这种环面在R³中浸入的同伦类。我们可以很容易地通过一种“C”变换将这两个物体连接起来。取一个环面,使其在某处“自我穿越”,从而形成一条双重点的曲线,这条曲线是一个圆:
我用了“两种颜色”:灰色表示环面外部,白色表示内部。上述的自我穿越(导致“标准环面”无数种可能浸入中的一种)使得表面出现了一部分白色区域。
从环面轴线上的一点观察这个物体:
在上方,是环面内部(白色)的部分,由于自我穿越而显现出来。然后我们可以实施一个“C变换”,创造出两个尖点:
在箭头所指的位置,我们“收紧”了一个通道。这一操作产生了两个尖点C1和C2:
我们可以将这两个尖点移动如下:
最后,只需执行一次C⁻¹变换(两个尖点合并):
我们得到如下物体:
这种环面的浸入与标准环面同伦。
可以看出,“C”变换及其逆变换“C⁻¹”,通过将浸入的范围扩展到R³中曲面的剪切操作,能够实现一些有趣的效果。我们可以构建经典曲面(球面、实射影平面、环面、克莱因瓶)的所有剪切形式。这个集合究竟有多少个类?
我们已经看到,球面和实射影平面属于同一类(同样,右向的博伊曲面与左向的博伊曲面也属于同一类)。那么环面的剪切类有多少个呢?我认为,除非我错了,这个问题目前尚未解决。我们能否通过C操作从一个环面浸入类转移到另一个类?直觉上,我倾向于回答“不能”,但这仅仅是一种“猜想”。
一种构造无法证明不可能性,只能说明可能性的存在。如果有人找到了能够实现类间跳跃的构造,那么该定理就实际上被证明了;但正因为尚未找到此类构造,并不能构成证明。缺乏证明并不等于证明了不存在。说R³中环面有四个剪切类,或说只有一个,都只是“猜想”,仅是目前的信念而已。
有趣的是,斯梅尔(Smale)在菲利普斯(Phillips)给出首个构造之前,就已证明了球面翻转是可能的。反过来也完全可能。但又有谁会想到去尝试这种完全违背我们几何直觉的实验呢?
C变换可以将球面变为交叉帽,再通过施泰纳的罗马曲面变为博伊曲面。详见相关文章。它能否将环面变为克莱因瓶?逻辑上似乎是可能的,但我目前还没有现成的答案。
顺便问一句:为什么称为“射影平面”?所展示的物体(单侧曲面)都是有限的。苏里欧(Souriau)的回答是:
- 在平面上,存在“无穷远直线”。只需沿着这条无穷远直线将平面重新粘合即可。
而这条直线,如所料,是一条闭合曲线。
在《拓扑奇境》(Topologicon)中,有一个小动画,即“叶状图”,展示了三扭转莫比乌斯带如何转变为博伊曲面。最后一幅图显示的是该曲面去掉一个圆盘后的样子。只需补上这个圆盘,即可完成整个曲面。因此,博伊曲面本质上就是三扭转莫比乌斯带加上一个圆盘。练习题:利用《拓扑奇境》中的工具,重新计算其欧拉-庞加莱示性数(其值为1)。
反过来,我们也可以从一个圆盘出发,让它不断生长,同时自我穿越,直到最终与三扭转莫比乌斯带粘合,这是另一种构造方式。
我在1987年4月4日至5日在普罗旺斯艾克斯举行的拉康精神分析学会议上的55页报告中找到了这些图示,该报告主题为“倒错”,并被会议组织者编辑成会议记录。我将在未来的一份题为《拉康的JPP》的文档中使用这些内容。
第一幅图:圆盘正在扭曲变形。
接下来,开始形成自相交集合:
下一张图:三重点出现:
我停止使用阴影,因为曲面即将变成单侧曲面。
接下来,曲面已准备好沿着其边界自我粘合:
此时,已补上三扭转莫比乌斯带,完成了整个曲面:
下一张图:同一个莫比乌斯带。
接着,完整的博伊曲面呈现出来。与《拓扑奇境》中的图像相比,我们不能说“从下方看到它”,因为博伊曲面既无头也无尾。我们只能说,它当前呈现的样子,展示了它的三重点。
接下来,其自相交集合如下:
因此,您刚刚亲眼见证了平面如何折叠到其“无穷远直线”上。这正是它被称为“射影平面”的原因,初看颇为奇怪。也许这是人们第一次如此近距离地看到“无穷”本身。
这些图像大约二十年前就已制作完成,而如今这个网站或光盘终于提供了展示它们的机会。读者可能会问:为何这些图像没有发表在《科学美国人》或《科学》杂志上?并非我没有向这些期刊投稿,而是编辑们认为这个主题不够有趣。
我希望,借助这套“几何工具箱”,您会迫不及待地去发明大量新曲面。这里有一个由伊瓦尔斯女士构想的新曲面:取一个球面,从两个相对方向各插入一段等长的线段,直到接触,想象这两段线段被焊接在两根杆上,如下所示:
当线段接触时,发生“手术式变形”:沿线段方向出现曲面交叉,两端各形成一个锥点。以下是该曲面的截面图:
同样的曲面,从透视角度观察:
至于……