潘洛斯阶梯(Penrose Stairs)是著名的数学悖论之一,指的是一个始终向上或向下但却无限循环的阶梯。可以视为彭罗斯三角形的一个变体,在此阶梯上永远无法找到最高点或者最低点。彭罗斯阶梯违反了欧几里得几何学的基本规则,描绘了一个在三维世界中不可能存在的物体。
初识潘洛斯阶梯
最早记载的潘洛斯阶梯是瑞典艺术家奥斯卡·路透·瓦德(Oscar Reutersvard)在1934年制作的雕塑。后来,英国数学家、物理学家罗杰·彭罗斯(Sir Roger Penrose)和他的父亲莱昂内尔·彭罗斯设计了多种”不可能存在”图形并进行了推广。1958年2月,他们把这个作品发表在《英国心理学杂志》上。自此,后续的学者将其命名为彭洛斯阶梯。
潘洛斯阶梯的创作也受到了荷兰画家埃舍尔(Escher)的一些”不可能存在的画作”的启发。在埃舍尔的著名版画作品《上升与下降》中,你会看到内圈的队伍一直在下坡,外圈的队伍却一直在上坡,并形成一个回路,周而复始。
潘洛斯阶梯的原理
在现实生活中,我们经常能看到一些平面上绘制的立体画。在特定的视角观察这些立体画,我们可以感受到一种三维错觉。彭洛斯阶梯也是如此。
在二维平面上设计的三维图片,在缺少第三维限制的情况下是可以轻易表现出高低不同的细节,从而以假乱真,让我们的眼睛产生错觉。彭洛斯三角看起来像是一个物体,由三个截面为正方形的长方体所构成,三个长方体组合成为一个三角形,但两长方体之间的夹角似乎又是直角。上述性质无法在任何一个正常三维空间的物体上实现。
尽管彭洛斯阶梯无法在生活中实现,但我们可以模拟这种效果。找一段足够长的阶梯,然后每一层的阶梯要做得很宽,做出一定的坡度,由于距离较远,那些小的坡度就很不容易被人察觉到。每隔一段距离就做一个明显的阶梯,再将这种阶梯做成蜿蜒曲折的样子,然后加上一定的障碍物,就可以在视觉上达到以假乱真的效果了。
常上荧屏的潘洛斯阶梯
在一些影视作品中,经常出现彭洛斯阶梯的影子。在《鬼吹灯》里的”悬魂梯”和《盗梦空间》里那个永远走不完的楼梯中,关键人物走入了一圈又一圈的死循环,陷入了难以摆脱的困境。
《盗梦空间》中,埃姆斯教筑梦师爱莲利用彭罗斯阶梯设计高难度的梦境。沿着彭罗斯阶梯一直上楼,每一圈都会经过同一个人。但是镜头一转,展示了转换视角后的彭罗斯阶梯:显然中间割裂开来了。
盘点其他经典悖论
除了彭罗斯阶梯,还有很多经典而有趣的悖论:
祖母悖论:如果一个人真的”回去”,并在他的祖母怀上他的母亲之前杀死了她,那么这个时间旅行者本人还会存在吗?没有他奶奶,就没有妈妈。没有他的母亲,就没有他。
黄油猫悖论:猫半跳空总是用脚着地。将黄油吐司切成两半空,并始终涂上黄油的一边掉到了地上。当你把涂了黄油的吐司的不涂黄油的一面粘在猫的背上,让猫从那一半空跳起来的时候,这个悖论就出现了。
说谎者悖论:公元前6世纪,克里特岛哲学家伊皮米尼得斯说:”所有的克里特人都撒谎。”这句话很有名,因为它没有答案。因为如果这句话是真的,那就意味着所有克里特人都撒谎,那他作为克里特人说的也是假话;如果这句话是假的,那就意味着有些克里特人不说谎。
上帝悖论:如果你承认上帝是”万能的”,那么他什么都能造,自然也能造出一块他举不起来的石头,但是结果上帝也有他做不起来的东西。这就陷入了一个自相矛盾的逻辑怪圈。
潘洛斯阶梯和克莱因瓶一样,都属于”不可能图形”。它揭示了人们视觉识别系统运行的一些与生俱来的缺点或者内部结构运行体制。通过精妙的设定阶梯的宽高比,可以诱发人们视觉效果作出上坡或下坡的体会。