百家讲坛《从一维到十维:解密维度概念》高二22 李则鹏
维度这个概念大家应该在许多的电视电影作品中见到过,这个概念因为具有一定的吸引力而被过于滥用,实则有许多地方的引用都犯了严重的科学错误,今天,我想为大家详细阐述一下什么才是真正的维度的概念。
首先想简要的讲述一下什么是维度。维度有两种不同的定义:1.在数学中,又称维数,是一种独立参数的数目。2.在物理学和哲学的领域内,指独立的时空坐标的数目。此处讨论的是物理学上的时间维度,也是科幻作品中常常引用到的定义。即四维是三维空间加上一维时间,由爱因斯坦。这也仅仅是一种观点,请大家批判指正。
接下来我们从头讲起。什么是一维呢?在平面中任点两个点的连线,这条线就可以简易的描述为一维。它只有长度,没有宽度和高度,只能向两边无限延展。其次我们还要能够知道,在这条一维轴上,能标明系统位置的点是无数的,能理解这一点对后续理解高维度有很大的帮助。
到了二维,就出现了平面,出现类似于轴线上的分支的内容,同样,二维只能向所在平面延伸扩展。这时候就出现了一种平面生物的概念(实际讲二维生命体是不存在的,因为其缺乏时间的变换,在后文会详细阐述)我们可以假设一些生活在二维空间的扁片人,他们只有平面概念。假如要将一个二维扁片人关起来,只需要用线在他四周画一个圈即可,这样一来,在二维空间的范围内,他无论如何也走不出这个圈。如果不关注时间轴的必要性的话,蚂蚁从某种角度上来说也是一种二维生物。蚂蚁只能够向前后左右行走,它并不能感受到高低的存在,即使它在爬树,他也只是认为自己在沿着前方走,并不能感受到存在的立体角度的问题。
三维空间,当时间停止时,我们的世界就是一个三维空间。在日常生活中也可指由长、宽、高三个维度所构成的空间。我们身边的物体应该说是都是三维的物体,目前还没有发现实物可以少或者多一个维度。或者说我们无法感知到其他维度的物体存在。
讲完了二维、三维,这里想举用两个例子。一是3D电影。它主要是靠利用人左右眼的视觉差营造效果。虽然我们周围的环境是三维空间,但我们感知它的途径是局限的,3D电影便是蒙蔽人的感知系统使人认为看到的是三维立体物。
另一个例子便是一个经典的模型——莫比乌斯带。首先说一说它的构型——莫比乌斯带是一个细长的纸条(太短了效果很差),它将纸条的一端旋转180度,然后两头粘结起来,变成一个纸带圈。基本的模型就已经做好了。同学们感兴趣的可以实际的做一下看看,注意一定要用长宽比大于5:1的纸条(即细长的纸条)。做好以后,重点是研究它的性质。如果我们用黑笔沿一面画线,我们会发现:它其实只有一个面。用这个莫比乌斯带,我们可以阐述很多概念。同时用来解释为什么低维度的生物不能感知高维度发生的行为。如果我们将假定的一个二维生物置于莫比乌斯带上令其运动,由于纸带只有一个面,所以它会认为自己只是不停的向前走着,感觉好像脱离了这个平面一样。而在我们看来,它只是在我们的空间中做循环运动罢了。同样的类比,我们在三维空间中伴着时间推移向前行进,历史的发展时间线似乎是无限的,但殊不知我们是不是也在高维度上做着往复循环的运动呢?…………
上段的问题如果有兴趣的同学可以继续探讨。接下来我们来讲下一个维度——四维。这也是我们开始首个难以理解的维度。四维空间是三维空间和时间组成的整体,又被称作闵可夫斯基时空。三维空间其中任意一点的位置,由三个坐标便可确定,其中事物其实是相对静止的,而能够容纳生命的空间,至少是四维的。可以说,生命便是,能够感知、记录时间坐标的空间物质。这也是前文强调完整的二维生物不存在的原因,至少需要加上时间这一个维度。这个概念是根据任何物质都同时存在于空间和时间中,空间和时间不可分割而提出的。爱因斯坦在广义相对论中提出这个概念,为他整个体系的构建奠定下了基础。
同样,后面的五维六维放在这里一起讲述,更有利于理解。五维空间构造了一个时间平面。这个时间平面就是五维空间,它是由无数个四维空间根据某一轴线(此轴线形状不定,不是直线)集合而成的。我们可以想象,一个五维空间的物体,应该是跨越不同时间轴线的,但在任意一个时间轴线上我们只能观察到它的一部分。而且,五维的时间面卷曲以后,就是我今天所讲的六维。这个地方用到了卷曲面的概念。我们在讲二维的时候,如果将二维面卷曲,实现在二维平面上的瞬间移动,即任意的转换位置,即可实现这种提升维度的效果,即卷曲面已经是三维空间了。同理,在这个地方我们将时间面卷曲以后,就形成了六维。在这个地方我们就可以说已经构造出改变事件结果的维度了。我们的世界是沿着一条时间轴发展的,有了时间面以后便可以改变了后续的时间发展。当再提升一维度到六维后,由于卷曲面的效果,这种改变将更加的容易。有的同学问我:这是不是构造出了平行宇宙的概念了呢?很多科学杂志上表明出过这样的观点,但现在更多的观点是这种行动改变了后续的发展,是在我们的宇宙内构造另一种发展趋势,而没有转化到另一个平行宇宙中,这种行为可以理解为在我们身处的宇宙内进行的有限的影响。大部分的科学研究者认为,平行宇宙在更高的维度构想中才会出现。
为了帮助理解,此处引入两个例子用维度的概念来解释。
《火影忍者》的剧情中,宇智波带土的时空忍术引起许多人的好奇。如果用维度来解释的话,所有的瞬间移动现象,都是控制了四维时间轴上的位移静止,在另三维上进行移动的现象,如带土、四代目火影波风水门、山椒鱼半藏等人。而带土与卡卡西独特的时空间转移,可理解为五维上转移到我们时间轴外上的一个点。(时间面上每个点都代表一个三维空间)有了这种能量,就可以在三维中留下投影,实现躲避攻击等一系列在我们的认识上很惊奇的内容。同样,宇智波家族的伊邪纳岐、伊邪那美也利用了高纬度的力量。伊邪纳岐改变事件的结果,而伊邪那美起到了莫比乌斯带的作用。有兴趣的同学可以自己去研究、探讨。
另一个是《哆啦A梦》,它的任意门是贯穿全动漫的重要道具之一,当然,我们也可以赋予它一个合理的解释:时空门是四维产品。解释同上,多一维度实现三维空间的瞬移。同理,哆啦A梦的口袋也是四维产品,在我们的视野里只是贴在肚子上的一个小平面,实际在四维空间内所占体积很大,内侧容纳的三维物品也是无限的。这类似于平面在立体上投影的问题。
至于这两个例子中为什么他们能实现这种高维的变换则不纳入考虑之中。动漫中给了他们强大的力量。这也是为什么在现实生活中不会遇到这种现象的原因了。我在这里讲的只是,如果能实现这种转换,它产生各种超理解的现象的原因。
接下来讲到七八九维。七八九维含有推论与假设的内容。当我们到达六维后,我们发现已经很难继续向下思考下去了。这个时候,我们要更换思路。这首先要假设时间的初始——宇宙大爆炸。然后再找出宇宙由大爆炸开始的所有可能的最终的宇宙结果,在它们之间连上时间线,这就构造了一个无限的六维空间,其中包含了由宇宙大爆炸开始的到它所有可能的结果的时间轴。如果我们将这个无限看做一个点,那么这个点就置身于七维之中。为了找到七维中另一个点,我们需要重新构思一个完全不同于宇宙大爆炸的另一个起始。这个地方我们就涉及到了平行宇宙的概念,这另一个宇宙中的一些性质有可能与我们宇宙的性质不同,如光速、万有引力等。如果我们理解了七维,那么我们就可以容易的理解八维与九维了,构造宇宙间连线的多种分支结果,形成八维;实现宇宙间的跳动,构造立体,便有了九维。
这个地方,我们会发现一些类比关系。一至三维,长宽高,然后将它看做四维一点,再构建类似的“长宽高”,再将它看做一个点,便出现了七维八维、九维…………于是,我们可以说,九维空间内的任意一点表示一个六维空间,六维空间中的任意一点表示一个三维空间…………
于是,我们现在要突破第九维达到十维。有的同学说,那不简单吗?再将九维看做一个点就是的嘛!是的,实际上就是这样。但我们现在要知道,代表一个九维的点,它的意义是什么。我们会发现,这一个点包含了所有可能的宇宙所有可能的开始所有可能的时间线直到它们所有可能的最终结果。为了构造十维的连线,我们需要再找到一个点。
但是那个点可以是什么呢?
由于我们已经设想了所有可能的宇宙所有可能的结果,我们想象一切都是十维中的一个点。
我们很难再找到下一个点了。
因此,我们的推理到十维结束。
如果有同学感兴趣,可以继续探讨。
谢谢!
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