永無止盡的無限循環樓梯,叫做彭羅斯階梯,在我國被稱之為懸魂梯,也就是鬼吹燈中那個永遠往下走的樓梯。
身在彭羅斯階梯中,人們永遠無法找到它的最高或最低點,也沒有盡頭,由英國著名數學物理學家、牛津大學數學系名譽教授彭羅斯(Roger Penrose)及其父親提出。彭羅斯階梯可以說是世界上有名的關於二維和三維空間的幾何悖論。
彭羅斯階梯在現實生活中是永遠不可能存在的,實際上它是由我們的視覺系統瞬間意識地對壹個二維圖形的三維投射,形成的錯視現象。雖然彭羅斯階梯不可能在三維空間內存在,但只要放入更高階的空間,彭羅斯階梯就可以很容易的實現,如同莫比烏斯環、克萊因瓶。
此外,如果想要彭羅斯階梯在現實中實現,那麽必須依靠人的錯覺(或者說感覺的誤判)才能實現。
所需的條件:
1、“緩坡現象”和背景的光影效果:抵消人們視覺上的角度判斷;
2、臺階“平面”小角度上揚:依靠小角度來抵消踝關節對於角度的判斷,例如角度如果小於5度,人們是難以依靠踝關節的姿勢(或者說“攀登感”)來判斷它是否為水平的;
3、每個臺階必須兌現自己的落差,而不是幾十個臺階來兌現壹個臺階的落差;
緩坡現象原理:
當人們下壹個陡坡(例如30度角)之後,再下壹個中陡坡(例如只有15度),最後換到壹個小陡坡(5度),由於對比效果,人們可能會認為在“上坡”,但是實際上卻是在下坡。
這個現象在開車的時候,壹些特殊山道可能會遇到,此時人們明明感覺在上坡,但空擋滑行卻可能越來越快,甚至停車之後感覺車在向“上坡”方向滑行。
步行的時候這個現象通常會被
A.背景環境、
B.踝關節的姿勢(或者說傾角)、
C.“攀登感”所糾正;
而構造彭羅斯階梯(懸魂梯)的時候,可以避免上述三個糾正方式:
A.靠光影和背景來抵消環境的影響(例如墻壁上的圖案本身也是歪斜的);
B.依靠小的傾角來抵消踝關節自身的角度判斷(腳跟比腳尖高了10cm誰都能感覺到,但如果只有0.2cm,感覺就會很不明顯,甚至完全無法發覺);
C.依靠“臺階運動”扭曲攀登感,長期的上坡或者下坡都會給自身帶來比較明顯的“費力”或者“省力”感,但如果只是幾步的上下坡感覺就會很小,如果中間夾雜上上下臺階的動作,這個效應也會被剔除;
臺階“平面”小角度上揚
人體對於角度的感知是有不敏感區的,大角度(例如30度),僅僅是為了保持重心,我們站上去會有明顯的感覺,但小角度卻難以感知。
在沒有其他判定依據的前提下,人們的潛意識會認為臺階的平面是“水平”的,但恰恰是這裏進行了感覺欺騙。
5度的小傾角下,tan值約為0.09,也就是說如果臺階長度是220cm,就能靠5度的傾角上揚20cm。
使用1度的傾角上揚20cm也不過就是需要不到12米而已。
最終:
1、人們需要從壹個大角度的斜坡“下到”(上到)懸魂梯區域內,以兌現緩坡效應
2、每個臺階高20cm,長度要達到5米以上,以不足5度的小角度上揚每壹個臺階的盡頭都與上壹個臺階的盡頭實際上保持水平
3、利用“光影效果”給出壹個與臺階平面相同傾角的壁畫,並且連綿不絕
4、臺階的“下落段”必須與下壹個臺階保持垂直,也就是本來應該“豎直向下”的部分也存在偏角,讓兩個臺階保持垂直。
擴展資料:
克萊因瓶最初由德國幾何學大家菲立克斯·克萊因提出的,在1882年,著名數學家菲立克斯·克萊因發現了後來以他的名字命名的著名“瓶子”。
克萊因瓶是壹個不可定向的二維緊流形,而球面或輪胎面是可定向的二維緊流形。如果觀察克萊因瓶,有壹點似乎令人困惑--克萊因瓶的瓶頸和瓶身是相交的,換句話說,瓶頸上的某些點和瓶壁上的某些點占據了三維空間中的同壹個位置。但是事實卻非如此。
事實上,克萊因瓶的瓶頸是穿過了第四維空間再和瓶底圈連起來的,並不穿過瓶壁。用扭結來打比方,如果把它看作平面上的曲線的話,那麽它似乎自身相交,再壹看似乎又斷成了三截。但其實很容易明白,這個圖形其實是三維空間中的曲線。它並不和自己相交,而是連續不斷的壹條曲線。
參考資料: