每天1個科學小知識，培養孩子的科學素養。

文 | 魔力科學小實驗，本文為原創，轉載請注明來源。

有一種神奇的瓶子，容量無限大，大到整個太平洋的海水裝進去也裝不滿它！

甚至有科學家說，别說太平洋，就算全世界的水也無法裝滿它。

我的第一感覺是：這瓶子漏吧？！

然而，真相隻有一個：瓶子不漏，而是你的大腦容量限制了你的想象！但這也不是你的錯，因為我們生活的這個世界是個三維空間，嚴格意義上來說，這種瓶子是四維空間存在的東西。

三維空間裡搞不懂四維空間裡的事兒，那是正常。

這種瓶子有一個非常浪漫的名字：克萊因瓶。

光看這洋氣又好聽的名字就覺得不一般，為了一探究竟，我特意找到了這種瓶子，并且成功地搬到了我的實驗室。我整不出太平洋，但是我整了一個超級大的注射器往裡灌水。雖然結果赤裸裸地擺在那裡，可我就是想瞧瞧：

我是如何被一個小小的瓶子打敗的！

今天的實驗有點燒腦，請注意及時補腦！

實驗目的

了解克萊因瓶作為無定向性平面的特性。

實驗材料

清水、大容量注射器、克萊因瓶模型

操作步驟

1.為了方便往瓶子裡灌水，将塑料軟管伸進瓶内。

2.用大容量注射器吸滿水，為了便于觀察，可在水中滴入色素（非必須）

3.塑料軟管與注射器相連，将注射器裡的水持續不斷地推入瓶内（注：瓶子模型容量約400ml，注射器容量550ml）

現象及原理

通過上面的實驗我們發現：從瓶子模型入口處持續不斷地往克萊因瓶模型裡注水，水位逐漸上升，當瓶内的水被“注滿”後，水流沒有越過瓶子表面，直接從入口處排了出來。換言之，這種瓶子的表面沒有終結，永遠也無法注滿。

△水流未越過表面

下面這張動圖也許更直觀，我們來看看。（文末有完整實驗視頻）

什麼是克萊因瓶？

克萊因瓶，在數學領域中是指一種無定向性的平面，這個物體沒有“邊”，内即是外，外即是内。它和球面不同 ，如果在裡面放一隻蒼蠅，該蒼蠅可以從瓶子的内部直接飛到外部而不用穿過表面，水流也是如此。克萊因瓶在拓撲學中是一個不可定向的拓撲空間。

克萊因瓶的名字由來

克萊因瓶最初由德國幾何學大家菲力克斯·克萊因 (Felix Klein) 提出，因而得名。

不過它的名字得來是一個弄巧成拙的結果。

它的本名叫“克萊因平面”，最初用德語命名時候名字中“Kleinsche Fläche”是“克萊因平面”的意思。因為翻譯問題寫成了Flasche，這個詞才是瓶子的意思。不過，這個平面看起來跟瓶子也很像，于是“克萊因瓶”的名字一直沿用至今。

我們該怎麼理解克萊因瓶？

我們看到的克萊因瓶結構可表述為：一個瓶子底部有一個洞，現在延長瓶子的頸部，并且扭曲地進入瓶子内部，然後和底部的洞相連接。和我們平時用來喝水的杯子不一樣，這個物體沒有“邊”，它的表面不會終結。

蒼蠅也許比我說得更明白：

△圖片源于網絡，侵删

這是從四維空間來推論的結果，但由于我們身處三維世界，并不能真正地制造出克萊因瓶。因為在四維空間裡，該瓶子扭曲的頸部是不需要與瓶子相交而進入瓶子内部，但人類社會技術有限，無法真正實現。

因此，我們現在能夠看到的“克萊因瓶”其實都是克萊因瓶在三維空間裡的模型。

科學家認為它隻有在四維空間才能真正被裝滿水，也就是說，這個瓶子是不屬于人類世界的。它來自宇宙的高維空間，那裡對于人類來說就是個神秘領域，一切都可能發生。

愛因斯坦曾說，當世界上隻剩下一個你的時候，門外和門内都同樣是一個人，因為門裡即是門外。

這大概是對克萊因瓶最通俗的理解。

四維空間是個啥？

在數學上有各種多維空間，但目前為止，我們認識的物理世界隻是四維，即三維空間（我們生活的現實世界）加一維時間。現代微觀物理學提到的高維空間是另一層意思，隻有數學意義。

根據愛因斯坦相對論的論述：我們生活中所面對的三維空間加上時間構成所謂四維空間。由于我們在地球上所感覺到的時間很慢，所以不會明顯地感覺到四維空間的存在。

假如有機會登上宇宙飛船或到達宇宙之中，使本身所在參照系的速度開始變快或開始接近光速的時候，我們能找到時間的變化：

那時，你的生命比在地球上長很多很多……

科學家曾形容，在四維空間裡，我們要取出蛋黃是不需要敲碎蛋殼的，直接可以拿出蛋黃。

感覺那是孫猴子才能辦到的事。

不過，四維空間對我們來說現在還很難理解，在三維世界裡，真實地過好每一天比啥都強，不是嗎？

好了，今天就唠到這了，再唠叨一句：四維空間的事兒有點燒腦，我們還是幹點三維世界裡的正經活，比如點個贊，咱們下期見。

更多精彩原創科學實驗請點擊：

魔力科學小實驗，學會這兩招，開罐頭絲毫不費力還很優雅

魔力科學小實驗，你發現沒，水氣球紮個洞流出來的水是靜止的？

我是一名理工碩士奶爸，愛生活、愛科學，陪娃做了400多個“魔力科學小實驗”。關注訂閱我，每天3分鐘，陪孩子在家做個小實驗，培養孩子的科學素養！

THE END

更多精彩资讯请关注tft每日頭條，我们将持续为您更新最新资讯!