纽结可是门古老而重要的学问。人类还没有文字以前,大概就会打结了,即所谓的“结绳记事”。后来纽结还成了艺术,近年春节流行中国结,网上有还专门的中国结网站;纽结甚至可以发展到和宗教仪式相关,比方说古凯尔特人(Celtic)的福音书中就记载有不少很漂亮的纽结,亚历山大大帝剑劈哥顿神结的传说也早已脍炙人口;对某些职业来说,打结还是必不可少的工作技巧,比如说早先的水手,现在的外科医生,不少魔法师是打(假)结的高手;就连我自己,每天起床后总要打两个结——系我的鞋带。
不过本文要介绍的是数学中的纽结理论。它是数学学科代数拓扑的一个分支,按照数学上的术语来说,是研究如何把若干个圆环嵌入到三维实欧氏空间中去的数学分支。纽结理论的特别之处是它研究的对象必须是三维空间中的曲线。在两维空间中,由于没有足够的维数,我们不可能把让一根曲线自己和自己缠绕在一起打成结;而在四维或以上的空间中,由于维数太多,无论怎么样的纽结都能够很方便地被解开成没有结的曲线。(不过纽结理论在高维的推广还是存在的,研究的是余维为2的子流形的嵌入问题,我们在这里不考虑它。)
和一般生活中的纽结不同,数学上研究的纽结一般是封闭的,没有能够自由活动绳端,就象你在封面上看见的那条绳子一样。一个圆圈是一个平凡的纽结,也就是说“没有结的纽结”:
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