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阿基米德的报复_第六章 麦比乌斯分子

保罗.霍夫曼
科普学习
总共19章(已完结

阿基米德的报复 精彩片段:

第六章 麦比乌斯分子

数学家们吐露,

麦比乌斯带只有单面,

如果你要将它分成两半,

你将会感到十分可笑,

因为分开后还是一条带。

——无名氏

数学不仅可以在最宏大的规模上帮助进行形状设计,如3层半楼层高的复活节彩蛋,而且还可以在微小的范围内帮助设计。本章将叙述美国博尔德市科罗拉多大学的戴维·沃尔巴及其同事们如何在奇特的麦比乌斯带中合成分子的故事。

神秘的麦比乌斯带是数学家们的宠物。你可以用一条窄纸条制作麦比乌斯带,例如取一条加法器用纸带,半扭转,再把纸带两端连接,形成一闭合环,就成为麦比乌斯带。

麦比乌斯带只有单边,也只有单面。如果你用一把漆刷沿着纸带方向刷漆,那么你将发现,当漆刷回到起点时,它已漆满整个纸带的表面。如果你沿着纸带的一面做一种魔术记号,那么你也会立即相信,纸带只有一个边。

如果你沿着纸带方向把麦比乌斯带剪成两半,果然,就像五打行油诗所说的,它仍然还是一条带子。

1858年,法国巴黎的一家科学协会为数学方面的一篇最优秀论文颁了奖。在这次竞赛提交的论文中,德国莱比锡市的数学家奥古斯特·费迪南德·麦比乌斯“发现了”这种曲面,就是现在以他的名字命名的曲面。麦比乌斯仅用纯数学观点论述了他的发现,例如,没有讨论自然界中存在着麦比乌斯带分子的可能性。

的确麦比乌斯不会想到诸如麦比乌斯带分子存在的可能性,这是因为当时的有机化学科学还处于萌芽阶段,人们即使对最简单的分子形状也一无所知,更不用说对数学有意义的复杂分子了。在麦比乌斯发现的同时,德国波恩大学的奥古斯特·凯库勒宣布他的发现:碳原子可以连接形成长链,它将成为有机化学的基础。

4年前,凯库勒在伦敦的公共马车上,首次在幻想中思考了碳链的问题。他回忆说:“那是一个晴朗的夏夜,我乘坐末班公共马车回家,和往常一样坐在‘车顶的’座位上,通过大城市中没有行人的街道,在平时,那是个充满活力的城市。我陷入幻想,并且好像看见许多原子在我眼前欢跳……我常常看到两个较小的原子如何联合形成偶原子,1个较大的原子如何环抱着两个较小的原子;还有更大的原子如何抓住3个甚至4个较小的原子不放,同时,它们整体如何跳着眼晕的舞蹈快速旋转着。我也看到较大的原子如何形成链子……无论如何,我也要花些夜里的时间,把这些幻想中形成的形态轮廓写进论文中。”

11年以后,1865年,凯库勒认识到碳链子可以环绕着旋转,形成环。而梦幻又一次给他以灵感。“我坐着编写教科书,然而工作毫无进展,我的思维开了小差。我把椅子转向取暖壁炉,并打起盹来。原子再次在我眼前欢跳。这时较小的原子谨慎地呆在基底上。我的心灵眼睛通过这种重复景象而更加敏锐,现在可以辨别出多种形体中较大的结构,长长地排列成行,有时还更紧密地拼接在一起;整行迂回曲折像蛇一样运动。瞧!那是什么?有一条蛇咬住了它自己的尾巴,嘲弄般地在我眼前快速旋转,仿佛一道闪电,把我惊醒了……当天晚上,我就推断出假设的结论。”

作品简介:

本书主要概述了数学所涉及的领域和范畴。我并不认为这本书包罗万象,然而它选择的主题很离奇,但它也只能如此。数学是世间每所大学都从事研究的一门学科,它至少像生物学一样有广泛的领域,在生物界中,某个研究人员正努力研究艾滋病毒,而另一个研究人员则在研究袋熊的社会化问题。……

作者:保罗.霍夫曼

翻译:尘土等

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