曲面(topological surface)
在拓樸學裡,曲面是指任何一種形狀:只要你在它任一點上湊得夠近去看,它就像一張平坦的橡皮膜——儘管拉遠來看,它可能捲成球面、繞成甜甜圈、或扭成更怪的東西。球的表皮、貝果的表面、無限的桌面、管子的壁:每一個都是曲面,因為站在其上任何地方的一隻小螞蟻,都會覺得自己像在一片普通的平面上,有兩個獨立的方向可走。這個「局部二維、看起來平坦」的性質就是全部的想法。
說精確些,曲面(二維流形,2-manifold)是一個拓樸空間,其中每一點都有一個與平面的開圓盤同胚的鄰域——每一點周圍的一小塊都能變形成平面上一塊平坦的圓形。曲面分成兩大家族。緊緻且無邊界者——如球面與環面——是有限而無緣的:你走再久也碰不到邊。有邊界的曲面則有你會掉下去的邊緣,如圓盤(它的邊)或圓柱(它的兩個圓形端)。邊界存在時,它本身由圓或線構成。
曲面之所以重要,是因為它是拓樸第一個能完整分類其對象的有趣場合:每個緊緻無邊界的曲面,在同胚意義下,恰是一份乾淨清單裡的某一個——球面、環面、n 個洞的環面、以及由射影平面拼出的不可定向者——而這份清單完全由兩個簡單的數來排序(有幾個洞、以及是否可定向)。誠實的告誡:拓樸曲面與帶曲率的幾何曲面不是一回事。拓樸把球面與一個被狠狠壓凹的球面看成同一個曲面,因為它無視曲率與形狀,只數洞與側數。
拿一張平坦的長方形紙條。原樣是個有邊界的曲面(四條邊)。把左邊直直地黏到右邊,你得到一個圓柱——仍是曲面,現在有兩條圓形邊界。再把圓柱的兩端黏起來,你得到一個環面:完全沒有邊界的緊緻曲面,也就是甜甜圈。每一次黏合都讓每一點在局部上仍像平坦的平面,所以每個階段都是貨真價實的曲面。
紙條到圓柱到環面:黏合邊緣造出新曲面,同時讓每一點在局部上仍保持平坦。
拓樸曲面完全無視曲率:對拓樸而言一個完美的球面與一顆坑坑窪窪的馬鈴薯是同一個曲面,因為它只看洞與側數,不看形狀。