最近在看《一到無窮大》,其中第三章提到的雙蘋果模型一直不太理解。原文是這麼説的:
設想有兩個球體,各自限定在自己的球形表面內,如同兩個未削皮的蘋果一樣。現在,設想這兩個球體“互相穿過”,沿外表面粘在一起。或者,我們不如設想有個蘋果,被蟲子吃出彎曲盤結的隧道來。要設想有兩種蟲子,比如説一種黑的和一種白的;它們互相憎惡、互相迴避,因此,蘋果內兩種蟲蛀的隧道並不相通,儘管在蘋果皮上它們可以從緊挨着的兩點蛀食進去。這樣一個蘋果,被這兩條蟲子蛀來蛀去,就會像圖 18 那樣,出現互相緊緊纏結、佈滿整個蘋果內部的雙股隧道。但是,儘管黑蟲和白蟲的隧道可以很接近,要想從這兩座迷宮中的任一座跑到另一座去,卻必須先走到表面才行。如果設想隧道越來越細,數目越來越多,最後就會在蘋果內得到互相交錯的兩個獨立空間,它們僅僅在公共表面上相連。
一直想不清楚為什麼要兩個蘋果,一個蘋果不也是能形成這樣的形狀嗎?直到今天搞明白了。
首先這個雙蘋果模型並不是非常準確,原文説的黑白兩個蟲子的管道是不相交的,這個不相交的意義是在四維空間上的不相交,書中為了便於理解只能畫出三維空間中的不相交。其實四維空間的這兩個蟲子管道在三維的投影是完全有可能相交的,而且應該是重疊的。
為了便於理解,從一維空間説起:
一維空間就是一條線,如何讓這條線有確定的長度,但是沒有邊界呢?線段的邊界就是兩個端點,只要把另一條線段的兩個端點和這條線段的兩個端點相接,就形成了有固定長度,但是沒有邊界的一維空間。
二維空間就是一個面,這裏以一個圓形舉例,如何讓二維形狀有固定面積,但是沒有邊界呢?就是在圓形的邊緣與另一個圓形相接,這樣就有了面積固定,沒有邊界的二維平面。
三維空間就要用到這裏説的雙蘋果模型了,如何上三維形狀有固定體積,但是沒有邊界呢?思路和一維二維一樣,在它的邊界處連接上另一個三維物體,三維的邊界是就是每個蘋果的表皮,把表皮接在一起就是有固定體積,沒有邊界的三維形狀了。可以用上圖裏那個雙蘋果模型理解,但是切記,裏面的蟲洞,黑白兩個蟲子其實是在不同的三維蘋果裏,所以永遠不相交。