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为什么不能将椰子上的毛捋顺?

运输到外地的椰子,表皮上总有一层棕色的毛。如果尝试把这些毛捋顺,让它们贴紧椰子壳,你会发现无论如何总有几个地方的毛不服帖,或者露出光秃秃的一块。这里面也包含了数学原理。

我们将椰子想象成一个球,那椰子的毛就是粘在球上的小箭头。因为椰子的毛密密麻麻,可以想象球上的每个点都粘上了一个箭头。把椰子的毛压平,就相当于把球上的这些小箭头贴着球面排布。这些贴着球面排布的小箭头,在数学上称为球面的一个向量场。而要把毛捋顺的话,两个相距很近的点的箭头方向就不能相差太远,也就是说,如果沿着球面的任意路径走,我们遇到的小箭头方向的变化是连续的。把椰子的毛捋顺,用数学的语言来说,就是寻找球面上一个连续的切向量场。

但事实上,布满整个球面的连续向量场是不存在的,也就是说,我们不可能把椰子的毛捋顺。无论怎么排布球面上的小箭头,总会有至少一个点,它的箭头指向什么地方都不合适,这样的点叫作零点。所谓毛球定理,就是说球面上的连续向量场必定有零点。在椰子上,零点对应的就是那些不服帖的毛的位置。

毛球定理应用在气象中也会有意想不到的结论。如果不考虑垂直方向的空气流动的话,我们可以给地球表面的每个点贴上指示风向的小箭头,这些小箭头明显组成了一个连续向量场。根据毛球定理,无论什么时候,地球上必定至少有一个地方,那里的风向指向什么地方都不适合,也就是说那里没有水平方向的风!比如暴虐的台风,它的风眼处就没有风。

椰子不能变成面包圈(在面包圈上可以找到连续的切向量场),正是因为球面和环面的欧拉不变量不同。通过拓扑学的工具,我们还可以将毛球定理拓展到更高维的空间。

【知识点】拓扑学

有一门叫拓扑学的数学分支,就是专门研究在连续形变下几何对象所保持的性质。毛球定理属于拓扑学的研究范畴,它与一种被称为“欧拉不变量”的拓扑性质有着密切的联系。毛球定理并不能应用到所有的曲面上。如果一个面包圈会密密麻麻长出毛来的话,只要沿着环的方向,就能把毛捋顺;而椰子即使会变形,也没办法把毛捋顺。“可以或不可以把毛捋顺”是一种在连续形变下保持不变的性质,所以椰子无论怎么连续变形,也不可能变成面包圈,它们必定有本质上的区别。