1994年发表于《Nuovo Cimento》期刊文章的前言

本研究的起点可追溯至1977年。当时在巴黎科学院《报告》(Comptes rendus de l'Académie des Sciences de Paris)上发表了两篇论文:
J.P. Petit:“时间箭头相反的对映宇宙”,1977年5月8日,第285卷,第1217–1221页
J.P. Petit:“与时间镜像中宇宙相互作用的宇宙”,1977年6月6日,第284卷,A系列,第1413–1416页
在接下来的论文中,我们尝试通过一种“对极性”关系,逐点建立(对合映射)地球附近区域(从宇宙尺度看)与另一个宇宙对应点之间的联系(我们称其为“孪生宇宙”:twin universe,或“影子宇宙”:shadow universe,或“幽灵宇宙”:ghost universe,这些名称在我们看来是等价的)。这一方法依赖于对几何对象拓扑结构的初始假设。然而,后来我们意识到,其实无需如此,因为可以将局部结构(F, F*)定义为一种“骨架流形”的二重覆盖。此时,结构即为三维射影空间P³的二重覆盖,等价于二维射影空间P²的三维类比。后者更为人熟知,其最著名的表示形式是1902年由奥地利数学家威纳·博伊(Werner Boy)发现的曲面,见图184(原则上为动画,待网站完善后可实现)。
博伊是著名数学家希尔伯特(Hilberth)的学生,后者对其学生的发明表示非常满意。有趣的是,发明之后,博伊便离开了大学,从此杳无音讯。历史学家们曾多次尝试寻找他的踪迹,但均未果。人们至今不知他究竟是死于一场重感冒,还是最终成为了一名水管工。
几何学家们知道,可以将球面S²的所有点通过射影平面P²实现一一对应,如本文附图10所示。北极点与南极点重合,赤道则沿着博伊曲面的伪赤道自我缠绕。这种二重覆盖在本文图11中有所展示。至少在二维情况下,这种操作将互为镜像的对映物体重合。图12和图13为教学图像,展示了物质团块如何填补对极区域的空缺。
这种二重覆盖系统可推广至三维乃至四维,对应于三维球面S³和四维球面S⁴,分别覆盖三维射影空间P³和四维射影空间P⁴。
在深入探讨之前,我们不妨让读者先熟悉一下这种奇特的博伊曲面的几何特性。此外,读者也可在《拓扑奇境》(Topologicon,Belin出版社,1984年版)中找到该对象的多种变体。
读者可能感到惊讶的是,该曲面自身存在自相交,其自交集是一条三叶草状的曲线,形似船螺旋桨:
在左侧的图示中,我们特意开了一道口子,以展示三叶交点——三条曲面在此交汇。此曲面显得极为特殊。事实上,它正是一个极佳的例子,可用来说明前文提到的“三维表示空间”概念。
三叶交点T与自交曲线仅由P²在R³中的表示方式所决定。球面、环面等均可“嵌入”R³,即存在拓扑等价的表示,其表面不会自相交。但射影平面P²无法“嵌入”R³,只能“浸入”R³。因此,上述图示(博伊曲面)是P²在R³中的“浸入”表示。二维对象的“浸入”是指在R³中的一种表示方式,其特征为存在一条“双点线”(即自交曲线),沿此线有两个切平面,以及若干三叶交点,即三条曲面在此交汇。博伊曲面只是P²在R³中无限多种浸入方式之一。其他形式将在即将上线的文章《射影平面的不同面貌》中展示。
通过我们自行发明并发表的参数化表示,获取博伊曲面的图像相当容易。
——读者可在“数学”子网站中找到1981年发表于巴黎科学院《报告》的论文复本,作者为J. Souriau(非著名数学家本人,而是其子杰罗姆·苏里欧,后成为计算机专家),参考文献如下:
“博伊曲面的解析表示”,巴黎科学院《报告》,第293卷(1981年10月5日),第1系列,第269–272页
文中指出,该曲面具有椭圆子午线。这一性质使其易于绘制。以下为我漫画《拓扑奇境》首页所附的BASIC程序代码:
BASIC程序
10 CLS
50 PI = 3.14159 : P3 = PI/3 : P6 = PI/8 : P8 = PI/8
90 FOR MU = 0 TO PI STEP .1
95 P = P + 1
100 D = 34 + 4.794 * SIN(6*MU - P3)
110 E = 6.732 * SIN(3*MU - P6)
120 A = D + E : B = D - E
130 SA = SIN(P8 * SIN(3*MU))
140 C2 = SQR(A * A + B * B) : C3 = (4 * D * E) / C2
160 CM = COS(MU) : SM = SIN(MU)
180 FOR TE = 0 TO 6.288 STEP .06
190 TC = A * COS(TE) : TS = B * SIN(TE)
200 X1 = C3 + TC - TS
210 Z1 = C2 + TC + TS
250 REM 以下是三个坐标
300 X = X1 * CM - Z1 * SA * SM
310 Y = Y1 * SM + Z1 * SA * CM
350 REM 显示点的指令
360 PSET (X,Y),1
400 NEXT TE : NEXT MU
作为补充说明,正是由于我们发现了利用椭圆子午线表示该曲面的可能性,后来数学家阿佩里(Apéry)才得以首次获得其六次隐式表示:
f(x, y, z) = 0
我们在此不再重复该式(其本身相当复杂),但我们坚信应存在更简单的形式,相关内容将另作文档,收录于“数学”子网站中。
相比之下,克莱因瓶更为读者所熟知。同样,它也无法嵌入R³,其最经典形式为一种浸入,其自交集为一条简单闭合曲线。
博伊曲面(P²)与克莱因瓶的二重覆盖均为球面S²与环面T²。对博伊曲面感兴趣的读者,可在巴黎“发现宫”(Palais de la Découverte)的某间展厅中找到其三维模型,该模型由艺术家马克斯·索兹(Max Sauze)根据我们制作的较粗糙原型制作而成。
在这些二重覆盖操作中,物体的子午线与纬线会“自身缠绕”。例如,我们可以展示环面的“纬线”(与嵌入方式相关)会发生什么变化:
在此环面嵌入中,纬线显然并非曲面的测地线(仅“瓶颈圆”例外)。环面的子午线情况亦类似,它们是测地线……