回到这个将环面嵌入R³的浸入同伦类。我们可以很容易地通过一种“C型”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”,从而产生一条双重点的轨迹,这条轨迹是一个圆:
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”无数种可能的嵌入之一)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:
上方是自我穿越后显露出来的环面内部(白色)部分。我们可以实施一次“C型”变换,从而产生两个尖点。
在箭头所指的位置,我们“挤压”了一个通道。这一操作产生了两个尖点C1和C2:
我们可以将它们移动到如下位置:
接下来只需执行一次C⁻¹变换(两个尖点合并):
我们得到如下物体:
这种环面的嵌入与标准环面是同伦的。
我们看到,“C型”变换及其逆变换C⁻¹,能够将嵌入的范畴扩展到R³中曲面的“剪切”范畴,从而实现一些有趣的操作。我们可以构建经典曲面(球面、实射影平面、环面和克莱因瓶)的所有剪切形式。这个集合包含多少个同伦类?
我们已经看到,球面和实射影平面属于同一类(如同右、左两种Boy曲面也属于同一类)。那么环面的剪切同伦类有多少个呢?我认为(除非我错了),这个问题目前尚未解决。我们是否可以通过C型操作从一个环面嵌入类转移到另一个?直觉上,我倾向于回答“不能”,但这仅仅是一个猜想。
一个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跨越类别的构造,那么该结论就实际上被证明了;但至今未能找到这样的构造,并不能构成证明。缺乏证明,并不等于证明了不存在。说R³中环面存在四个剪切同伦类,或仅存在一个,都只是猜想,仅是目前的信念而已。
事实上,Smale在Phillips首次给出具体构造之前,就已证明了球面翻转是可能的。反过来也完全可能。但谁能想到要进行这样一项完全违背我们几何直觉的尝试呢?
C型变换可以将球面变为交叉帽,再经过Steiner的罗马曲面,变为Boy曲面。参见相关文章。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:为何要称其为“实射影平面”?所展示的这些物体(单侧曲面)都是有限的。Souriau的解释是:
- 在平面上,存在“无穷远直线”。只需将该平面沿无穷远直线重新粘合即可。
而这条直线,正如所知,是一条闭合曲线。
在《拓扑奇境》中,有一个小动画,即“叶状图”,展示了三半扭的莫比乌斯带如何变形为Boy曲面。最后一幅图像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,Boy曲面本质上就是三半扭的莫比乌斯带加上一个圆盘。练习:利用《拓扑奇境》中的工具,重新计算其欧拉-庞加莱示性数(结果为1)。
反过来,也可以从圆盘出发,让它在自我穿越中不断生长,直到与三半扭的莫比乌斯带重新粘合,这是一种另一种构造方式。
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研讨会的55页报告中重新找到了这些图示,该报告主题为“倒错”,并收录于会议记录中。我将在未来的一份题为《拉康的JPP》的文件中使用这段文字。
第一幅图:圆盘正在扭曲变形。
接下来,开始形成自交集合:
下一张图:三重点的出现:
我停止使用阴影,因为曲面即将变成单侧曲面。
接下来,曲面已准备好沿着边界自我粘合:
此处,我们画出了三半扭的莫比乌斯带,完成了整个曲面:
下一张图:同一个莫比乌斯带。
然后,完整的Boy曲面形成。与《拓扑奇境》中的图像相比,我们不能说“从下方看到它”,因为Boy曲面没有上下之分。可以说,它当前的呈现方式让我们看到了它的三重点。
接下来,其自交集合:
因此,您亲眼见证了平面如何折叠到其“无穷远直线”上。这就是它被称为“实射影平面”的由来,初看颇为奇怪。这或许还是第一次人们如此近距离地“看到”无穷远。
这些图像大约二十年前制作完成,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》或《研究》杂志上?并非我没有投过稿,而是编辑们认为这个主题不够有趣。
我希望,通过这套“几何工具箱”,您会迫不及待地创造出无数新的曲面。这里有一个由Ivars女士构想的曲面:取一个球面,从两个相对方向插入等长的线段,直到接触,想象这两段线段被焊接到两根杆上,如下所示:
当线段接触时,发生“手术”:沿线段出现曲面交叉,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:
在制作曲面的工具箱中,有一个“管道接头”:
当流体从一个开口(入口)进入时,它从出口的外部流出。但也可以将出口用作入口,效果相同。这个物体本质上是一种几何算子,能将外部变为内部。
如果将这个“接头”自身封闭,就得到了一个克莱因瓶:
但这里还有另一种连接方式:
同样的结构,从透视角度:
此时曲面变为双侧曲面。这是哪一个?
通过一次正则同伦——一系列连续的嵌入——我们将其变为如下形态:
您已认出这是一只带把手的盒子,但只能从内部打开。然后我们可以对这个物体进行变形。只需将一根绳子穿过孔洞,向自己拉:
结果是:
这是一个环面。
现在轮到您,来尝试处理下面这个装置:
它由三个这样的“接头”构成。
我们将在另一篇论文中讨论这些“接头”在球面翻转过程中的应用。