一度空间到十度空间分别是什么,真有这些吗? 物理中的空间到底有几度?分别是什么?

www.zhiqu.org     时间: 2024-06-15
有呀,初中数学中的数轴,就是一度(维)空间。平面是二度空间,立体几何是三度空间,也就是,空间一个点需要三个坐标(变量)来确定。如果加上时间,就是四度空间。如果有一个函数需要N个变量才能确定,我们把N称为N度空间的函数

都是对空间的理解。不一定有
对维度最直观、最古老的描述是:一个系统所拥有的维数是物体能够移动的独立方向的数目。上和下是一个维度,因为上和下是一个硬币的两面,向上走就是远离下方。左和右、前和后也一样,但上和右、下和后等之间就没有这种关系。

你好,1度空间到十多空间都是人幻想出来的,只是这个推理公式,得到了人的认可

图为度空间到10度空间他俩的距离应该是相等的

我也不太清楚
这应该是物理方面的知识
学文的
对物理不太了解

什么是1度空间、2度空间。。。10度空间?~

基本数学,知道了一些东西,比如点,线,面的关系。这个,算是空间维度的原始解释吧,那就是,某种描述事物的名词。从这里,就可以引申出不同维数代表的不同意义。再到后来,开始搞计算机了,也就对这些东西都淡忘了。直到去年看了刘慈欣的三体,硬是在小说末尾添加了对维度的描述,让我发现,原来到现在,作家们也不会放过这个永远不会变成冷饭的玩意。前段时间在看“什么是数学”,里面有一段很有趣的对维数的描述,才勾起我对这玩意的一点记忆。

先从最简单的初中概念谈起吧。比如我们说点,那就是0维。或者,描述更严密一些,就是一个点,或者任何有限点集,都是0维。一些科普文章说,0维就是什么都没有,完全不准确,明明有点啊,哪能什么都没有,就算是真正意义上的点,什么都不包含的纯粹的点,那也是点呗,点是实际存在的。还有的文章说它是奇点,甚至用“黑洞”来解释它,这更不准确了,首先奇点不见得是0维的,其次奇点物质能级无限大,而普通点根本不具有这个特性(当然0维事物能够成为黑洞,只要它有足够质量)。所以,咱们没必要绕这么多概念。更严密的反驳,后面会写到。

然后是一维,这个好说,在我们的世界里,一维就是一条线,一条无限长的,能够容纳无限个点的线。一维所表征的特征呢,就是长度。继续想象,假设我们把这条线多赋予一个特征,那就是无线延伸的宽度,那么就变成了面,也就是二维。同理可知,加一个高度,就成三维了。

说道这里,似乎都是理所当然的事情。初中就知道的东西,拿来重复干嘛。问题在于,我们以上的定义,都是基于“常识”,或者说是“显而易见”的现象,而不是严密而明确的定义。比如我现在问你,数轴上,有理数表示的全体点集,是什么维数?有理数集是稠密的,所以,可能是和直线一样是一维的;但换一个角度想,任何一对有理点之间都有无理点,这不和任意两点间的有无理点的有限点集差不多么?

所以,我们需要试着去观察一些更深入的性质。

1912年,庞加莱提出了这样一个定义:首先我们看,直线是一维的,因为我们可以通过剪开它的一个点(零维),使其上任意两点分开;而平面是二维的,因为要分开平面上的一对点,我们必须切开整条一维的闭曲线;同理,来到三维空间,我们必须切开一个面,才能分开立体空间中的一对点。

以数学语言来归纳,就是,一个空间,如果通过去掉一个(n-1)维的子集的办法,能把它的任意两点分开;而去掉较低维德子集时,不一定能做到,就称这个空间是N维的。

然后我们回过头来,看看网上那些科普文章对于零维的错误描述。我们说,任何有限点集都有这样一个性质,每一点都能被包围在一个任意小的空间区域内,且使区域边界上不包含该集合的点。换句话说,零维不等于“什么都没有”,你能用什么区域来包含“什么都没有”?严格上讲,“什么都没有”有维度,那是-1维。所以0维的严密定义应该是:

一个点集S,如果它不是-1维的(至少有一个点),S每一点都能被包围在一个任意小的空间区域内,且使区域边界上不包含该集合的点(也就是区域边界和S交集是-1维),那么称S是0维。

按照这个思路往下走,定义就很顺利成章了:一个点集S,如果它不是0维和-1维的,S每一点都能被包围在一个任意小的空间区域内,且区域边界和S交集是0维,那么称S是1维。2,3,4,5,6…….维的定义可以顺推。

说到这里,似乎一切都迎刃而解了,我们有感性的对维度的认识,也有理性的对维度的分析,数学上,维度的概念得到了完美的归纳。

可惜这只是数学上。数学上对维的定义,集中在集的维数,或者说是空间的维数,的理论表达。而无论是科幻小说,还是科技新闻,我们平时生活中接触的N维,已经不仅仅限于“空间”的范围了。因为纯空间的描述,是无法揭示我们这个世界的现象的,人们开始引入新的度量,来试图诠释真实世界中更高维的空间,这就是时间。

时间和空间,本质上是两个完全不同的东西,但是却不得不因为需要描述事物时间的关系而建立起将两者混用的“完美坐标系”。怎么来理解这个“混用”中的“完全不同”呢?我想,时间旅行——虽然被大部分当代物理学家认为是不可能的——也许是最容易让人理解的东西。

举个例子,传统意义上,我们周围的空间有三维(上下,前后,左右)。我们可以往这三维任意移动(可以借助现有工具),没有问题,只是比如你一直沿某一维走,过了一段时间,你都不会停在原地点,换句话说,你的空间坐标肯定会变化。在这个时候,时间和空间是紧密联系的,时间的变化和空间变化是一致的。

而当我们提到“时间旅行”时——请注意,我举例子,不代表我肯定其存在性——一切都变了。假如我们现在在某个空间位置A,通过时间旅行,我们可以在沿着一个方向运动一段时间后,回到这个位置A。更玄乎的,是我们可以在更早的某个时刻点,回到这个相同的位置。通过空间虫洞。

霍金一直以量子力学效应为武器,来扑灭所有时间旅行幻想家的希望,在这里,我也不想对这个问题有太多见解,直接看宇宙简史似乎更为科学一些。上面一段的目的,是想告诉各位两个性质:

1 在物理学上,引入时间当作第四维
2 时间只能超某个方向前进,没有负向运动。

好了,到这里,大家都应该明白,数学上维度的定义,已经不能解释物理上的维度了。当然,物理上所有高维的概念,都是通过严密的数学推导,只是对于非物理专业人士来讲,不需要,也很难理解这个具体的推导过程了。

解释高维时空,对于三维空间中的人们来说,总是很困难的。就比如生活在二维平面世界的生命,它们的世界里只有长和宽,根本无法理解第三维——“高” 这一维。因此,它们对三维世界的感知只限于三维物体在平面世界的投影,或者三维物体与平面世界的接触面,用二维的眼光来打量这些面,永远不可能将它们拼成一个三维整体。

所以最后,我想用一个二维平面的例子,来解释时间这个第四维度,对我们三维空间的影响。假设,我们有一个二维的弯曲空间,上面有一群二维的人居住。然后,这个弯曲平面上有AB两个点,我们可爱的二维人儿们呀,想从A点走到B点,问,怎么走最快?

小学生们纷纷举手回答:两点之间直线距离最短。

正确。但是我们继续想象,假设这个平面上有两个小坑(二维平面可以有无数小坑),分别刚好就在A和B两个位置。因为某个原因,它们越来越深,越来越深(想象水井),不仅深了,还朝着对方弯曲,最后,极限情况下,碰到了一起。这就是二维空间的“虫洞”。此时,平面上的人,就有两种选择了,一种是笔直按一个方向从A走向B,一种是通过“外面的空间”,虫洞,从A走向B。而当平面是类似于U这样弯曲的时候,很明显,虫洞,这个外部的空间,提供了一条超级捷径给二维人们,这是一条在他们自己空间中永远也找不到的捷径。

人类所幻想的时间机器,利用的就是这个“外面的空间”。

六维世界是想象还是存在

有科学家称,生活在三维空间和时间中的人类至今不知还有另外六个空间维度

-文/本报记者 唐逸 吴洣麓

威斯康星大学麦迪逊分校的一位物理学家寻找到了观察六维空间的灵感。他提出的观察六维形状的方法被发表在本月的《物理评论快报》上。

除了四维时空,另有六个人类未知的空间维度

我们都知道,自己生活在三维空间之中,如果加上时间,那么是四维时空。可有科学家称,还有另外六个空间维度是人类至今不知的。

来自2007年2月2日的《物理评论快报》的一则消息称:威斯康星大学麦迪逊分校的一位物理学家从太空中寻找灵感,提出了这样的一个假设,在物理学“弦论”的基础下,人类的世界并不完整。除了三维空间和时间之外,还应该存在另外六个空间维度。这些“隐藏”的空间维度以极其微小的几何形状卷曲在我们宇宙的每一个点中。六维空间可以接纳任何可能的形状,而且都与其自身的世界相一致,具有其自身的物理学规律。

这无疑像一颗重磅炸弹落在物理学界。如果真的有六维空间存在,那么爱因斯坦的“相对论”就显示了其理论自身的不完善。

对于人类而言,我们习惯了三维空间的概念,如何能想象和接受六维空间?这神秘的六维几何体到底是怎么样的形状?难以捉摸的六维空间确实存在吗?

人类为什么看不见其它六维

中国科学院理论物理所朱传界教授告诉记者,“宇宙应该是十维的”是根据一种超弦理论的论证,科学家通过数学方程计算得出的结论。就目前而言,人们只了解一维时间、二维平面、三维空间以及爱因斯坦提及的“四维时空”概念。除此之外,“超弦理论”预测还应该存在另外六个人类未知的空间维度。

那为什么另外六个空间维度看不见呢?

朱教授以水管为例说,当人们站在这根水管的正面看时,水管就是一条直线,我们就只看到了它的前后,它就是一维的。当人们站在一个平面里,看这根水管,就能看到水管的上下左右,那么人们就看到了它就是二维的。当人们在一个立体的空间里看这个水管,它的前后、左右、上下都收纳在我们的眼中,那么它就是三维的。

可如果人们把这根水管放在两维的平面中,然后又把这个两维的平面放在三维空间中,那么会是什么样的呢?于是,科学家把水管想象成像一根头发丝那样细。科学家认为,六个“隐藏”的空间维度,以极其微小的几何形状,卷曲在我们宇宙的每一个点中。

这种观察六维形状的方法之所以被发表在《物理评论快报》上,是因为这种方法能证明通过实验数据来观察这些难以捉摸的维度形状特征是可行的。同时,六维空间的存在也是证实“超弦理论”的主要方面。

◆观点交锋

六维空间究竟存不存在

从广袤星系到亚原子微粒,“超弦理论”囊括了所有物体的物理学规律。几十年来,关于“超弦理论”,很多科学家都争论不休,赞同的、反对的,各种声音都有。

拥护者:

没有一个意见能够反驳

不少超弦理论的拥护者表示,目前还没有一个持反对意见者能驳倒它。一旦验证“超弦理论”是正确的,那么人们就能通过解密它们对130亿年前宇宙大爆炸释放的宇宙能有所了解,借助时间机器,穿越黑洞后,“看见”神秘的六维几何体。

“不过,你也不用为看不见十维的世界而感到担忧。”威斯康星大学麦迪逊分校的这位物理学家说,“因为我们的大脑习惯于只是三维的空间,而对于其他六维空间结构却很难感知。虽然科学家们利用计算机模拟出了类似的六维几何体,但没有人能够确切地知道他们的形状到底是怎么样的。”

他说,“我们的想法就是回到那个时候看看到底发生了什么事情,当然我们不可能真的回去。”

很多科幻爱好者都梦想着搭乘时间机器遨游时空,有些科学家也尝试着用最新的原理来证明时间旅行的可行性,也试着用“超弦理论”来讨论它。

因为缺少必要的时间机器,他们使用了另外一个最好的东西,一幅宇宙大爆炸释放的宇宙能量图。这种爆炸释放的能量在随后的130亿年里其实都没有发生变化,它可以被卫星捕捉到,比如美国的威尔金森微波各向异性探测器。通过绘制出宇宙能量图可以帮助人类对宇宙的雏形有一个大概的印象。

反对者:

六维空间仅是人为想象

“对超弦理论,我不敢兴趣。”记者在采访中国科学院院士何祚庥时,他明确表示,这仅仅是人为的想象推断,根本没有讨论的必要和研究价值。

“我个人反对弦论研究者用这样肯定的口气说话。也许我们真的掌握了部分真理,也许我们一直以来仅仅是研究一个针尖上能有多少天使跳舞。”中国科学院理论物理所研究员李淼在其个人博客这样说道。

◆背景知识

神奇的万有理论

中国科学院物理所研究员李淼撰文的《弦论史话》中介绍,所谓“超弦理论”,又叫“弦论”或“万有理论”。

据李淼介绍,现代弦论的创始人之一是在加州理工学院工作的物理学家史瓦兹,他“十年如一日”,将只有几个人知道的理论做成如今有数千人研究的学问。史瓦兹也因此得以摆脱三年延长一次的位置,终于成了加州理工学院的正教授。

1968年,一位在麻省理工学院工作的意大利物理学家威尼采亚诺翻了翻数学手册,发现一个简单的函数满足对偶性,这就是著名的威尼采亚诺公式。而超弦理论正是起源于这个公式。

超弦理论认为,在每一个基本粒子内部,都有一根细细的线在振动,就像琴弦的振动一样,因此这根细细的线就被科学家形象地称为“弦”。我们知道,不同的琴弦振动的模式不同,因此振动产生的音调也不同。类似的道理,粒子内部的弦也有不同的振动模式,不过这种弦的振动不是产生音调,而是产生一个个粒子。换言之,每个基本粒子是由一根弦组成。

超弦理论认为,粒子并不存在,存在的只是弦在空间运动;各种不同的粒子只不过是弦的不同振动模式而已。自然界中所发生的一切相互作用,所有的物质和能量,都可以用弦的分裂和结合来解释。

弦的运动是非常复杂,以至于三维空间已经无法容纳它的运动轨迹,必须有高达十维的空间才能满足它的运动,就像人的运动复杂到无法在二维平面中完成,而必须在三维空间中完成一样。


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