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1 # 裸猿的故事
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2 # 科學船塢
不能脫離了時間去談論物理上的維度,不然的話,那和數學上乾巴巴的四維空間沒兩樣了。愛因斯坦認為時間可以看成是一個維度,與(X、Y、Z)構成四維時空,即閔可夫斯基空間,也就是現在的宇宙模型。我們是三維生物,但是生活在四維的宇宙中。我們看不到、摸不到時間,但是它卻客觀存在。
其實維度這個東西,對於現在的物理學研究沒多大意義,從最初的26維,到10維超弦理論,再到如今的M理論11維,都是物理學家想完成大統一理論的大膽設想,獨立的加入一些變數引數,這些引數變數都是加在原本的三維空間之上的,比如物理上的四維就是在三維空間上加了一個時間維度。
思維是我們大腦的生理活動,與維度沒有任何的關聯,怎麼能牽扯在一起呢?思維只是自我意識的一種,自我意識產生於大腦的神經活動,它什麼維度都不算。
三維世界的意思是三維空間。
三維空間的意思,僅僅是定義三維空間中某個點的位置,您需要三個變數。也就是眾所周知的長寬高。由於各種科幻小說和科幻電影中對高維空間的胡說八道,四維空間這個詞已經完全成了一個腦洞詞彙,急需要正本清源。讓我們從最簡單的開始吧。
點是所有維度空間存在的基礎,不管是空間是幾維的,它都是由點組成。而您需要多少個變數來定義空間中點位置的唯一性,您就處在幾維空間中。
從零維到一維空間的飛躍讓我們先來看零維空間,所謂零維空間就是有且只有一個點的空間,這個空間僅僅由一個點組成,它就沒有別的地方放下第二個點,因此你並不需要任何變數來指出這個點的位置在哪裡,因為它的位置是唯一且絕對的。如果您能說出它在位置1處,就意味著有位置2,位置3等等,那麼它就不再是零維空間了。
圖示:零維空間,唯一的一個點。
零維空間中的那個點,周圍沒有空白,它就沒有周圍這個詞可言。
現在讓數學之神,讓這個絕對的零點向不存在的周圍延伸出一條有限長度的線段,現在您就得到了一維空間。至於如何向不存在的周圍延伸,這事情我們暫時不考慮。您可以簡單的把它視作數學之神的神蹟。每當我們擴張一個維度,您都需要一次數學之神的神蹟。
圖示:一個簡單的線段。注意只有黑線部分才是存在的,黑線以外都是不存在的。
一維空間和零維空間的區別在於,現在空間中不止存在一個點,實際上它擁有無限多個點,而點和點的區別就在於它們距離零點的距離不同。要把它們彼此區別開,你需要使用一個變數,這個變數就是距離絕對零點有多遠。
要定義一維空間中的任何一個點,你只需要指出,它距離絕對零點有多遠就行,如果有兩個點,距離絕對零點的距離是完全一樣的,那麼我們就可以認定這兩個點一定是重疊在一起,或者這兩個點就是同一個點。
如果您覺得一個長度有限的線段中,居然會有無限多個點,這事情不可思議。那麼您可以這樣來想這個問題:
把數字1除2,得到一個新數字0.5,這數字表示的正是一個距離原點距離為o.5的點
再除2,於是得到0.25,這同樣表示一個新的點所在的位置
再除2,您會得到0.125,這又是一個新的點所在的位置
很明顯這三個點不是同一個點,因為它們距離原點的位置不同,並沒有重疊在一起。
而這個除2的過程,在數學上可以無限進行下去,所以,哪怕是長度為1的一個線段,在數學上也擁有無限多個點。
從零維到四維乃至更高維空間,其實同樣的邏輯在不停地重複應用的過程,只要您能理解從零維到一維的魔術般的戲法,那您才能理解數學上的四維空間究竟是什麼意思。
讓我們來總結一下要點,當我們從零維進入一維空間後,最大的變化是,從一個點的世界,進入到一個擁有無限個點的世界,哪怕這個世界的長度是有限的。必須再次提醒注意,您不需要一條無限長的線,您就能擁有無限多個點。
總之,最重要的地方,就是理解無限,每增加一個空間維度,在空間上就增加了一種無限!
從一維到二維空間的飛躍圖示:一個二維的圓。
有限面積的二維平面,可以有各種幾何形狀,但為了方便理解,讓我們用圓來進行解釋,假設圓心就是零維空間的那個均對零點,那麼如果只是用某個點到圓心的距離,是無法真的讓我們知道這個點到底在哪裡,因為距離圓心相同距離的點,可以分佈到一個圓環上,它們距離圓心的距離都是完全相等的。因此,要定義位於二維平面上某個點的特定位置,您需要兩個數字。
圖示:用極座標定義平面上的某個點的特定位置
至於是哪兩個數字,這取決於您的座標體系,您可以用它到圓心或原點的距離+加上角度;也可以使用直角座標系,即長和寬的概念來解決這個問題,但總之您至少需要兩個數字,一個數字是無法精確定義的。
如果您已經在前面搞明白了從零維到一維的變化,那麼從一維到二維的變化,就好理解了。這一次數學之神繼續增加一種無限,二維空間由無限多條線組成。看看上圖的同心圓,按照同樣的道理,我們可以在數學之神的世界中,在一個有限面積的圓中畫出無限多個同心圓來,它們距離圓心的距離都是不同的。
從二維空間到三維空間的飛躍圖示:既然我們生存在地球上,那就用一個球來代表三維空間吧。
同樣的道理,在三維空間中,定義球體中某個點的位置,您需要三個變數,比如,它到球心的距離,以及它的仰角和方位角,或者使用長寬高的概念來進行定義。
圖示:球座標體系中用兩個角度加上到圓心的距離定義一個點的具體位置。這在球形空間中特別有用。
而從二維的圓到三維的球,數學之神又增加了一種無限,那就是一個體積有限的球體也是由無限個圓面組成的。我們可以用每一個圓面的圓心距離球心的位置來簡單定義一個圓面,而這個距離自然也是有無限多個,因此一個球體中有無限多個圓面。
從三維空間到四維空間四維超球體,按照從零維的一個點,到三維的一個球,我們知道其變化就是,定義點所在的位置需要的變數數目從零個增加到三個,至於這三個變數怎麼稱呼,以及用什麼座標系定義這些都是可以變化的,並不重要,只看哪種用起來方便罷了。
那麼當我們從三維空間進入四維空間,在數學上並不複雜,那就是現在我們需要四個變數才能定義一個點在四維空間的位置,至於這四個變數叫什麼名字其實並不重要。但如果我們只使用三個點來定義四維空間中某個點位置,那麼我們就會遇到一個大麻煩。
圖示:四維超球體的三維投影
這就像在二維圓面中只用一個距離圓心的距離這樣的變數,去定義一個點,你將會得到無限多個滿足條件的點,這些點分佈在一個圓環上。在三維球體中,如果你只用兩個變數去定義一個點,你將會得到無限多個點滿足這樣的定義,它們分佈在一個圓面上;那麼如果我們還是按照我們定義三維球體中點的方式,去定義四維球體中的點,那麼同樣將會有無限多個點滿足我們的條件,並且所有這些點將分佈在一個圓球中。
而就像從零維到三維的變化過程一樣,一個有限的四維超球體(把定義四維空間的四個變數相乘即可),也會在數學上擁有無限多個三維球體。
讓我們複習下。
零維 唯一的一個點
一維 擁有長度屬性,由一條線組成,具有無限多個點
二維 擁有面積屬性,具有無限多條線組成的面,具有無限多個點
三維 擁有體積屬性,由無限多個面組成了體,具有無限多個點
四維 擁有“超體”屬性,由無限多個體組成超體,具有無限多個點
最後,讓我們欣賞一下四維超幾何體的二維投影,雖然我們無法直觀的想象四維超幾何體的形狀,但我們卻可以透過數學變換,得到它們的降維投影,如果哪一天您在啥地方突然見到類似投影,說不定就是奇遇的開始呢*_*
圖示:記住這個圖案,這是四維超立方體的二維投影。
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