155.毛球定理
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※155.毛球定理
布劳威尔(Luitzen Egbertus Jan Brouwer,1881—1966)
1912年
如果我们想要用梳子理平毛发密布球体上的每根毛发,则无论如何至少会有一根毛发巍然耸立,不然就一定可以在球面上找到一个没有毛发覆盖的缺口(也就是秃头的地方)。
布劳威尔不动点定理(1909年)
2007年,麻省理工学院的材料科学家史戴拉奇(Francesco Stellacci)引用数学领域的毛球定理让纳米微粒紧密连接成长链状结构。荷兰数学家布劳威尔在1912年首次完成毛球定理的证明,简单来说,在一个毛发密布的球体上,如果我们想要用梳子理平每根毛发的话,则无论如何至少会有一根毛发巍然耸立,不然就一定可以在球体上找到一个没有毛发覆盖的缺口(也就是秃头的地方)。
史戴拉奇研究团队用硫黄分子做成的毛发覆盖在纳米金微粒上,根据毛球定理,可能会有不止一处的硫黄分子傲然挺立,并且微粒表面上变得很不稳定,于是研究团队就能轻易用其他化学物质取代这几个硫黄分子,把不同的纳米金微粒连接起来,或许将来有一天就能发展成电子设备所需的纳米线路(nanowire)。
用数学语言表示毛球定理的话,则对球面上任一连续的切向量场而言,一定存在至少一个点使得向量场为0。换句话说,如果连续函数f对球面上每一点赋予一个三维向量,f(p)表示球面上点p的三维切向量,则其中至少会有一个f(p)=0的p点,这就表示“不可能把毛球上的每一根毛发通通梳平”。
毛球定理的应用层面广泛,譬如把风视为有强度与方向的向量时,则就算地球表面上所有其他地区的风势再怎么强劲,一定会有某处的水平风量为0。值得注意的是,毛球定理并不适用轮胎面(一个类似甜甜圈的形状),所以理论上是有可能做出一个让所有覆盖毛发都平躺、让人看了就提不起食欲的毛茸茸甜甜圈。 数学之书:数学史上250个里程碑式的发现