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  • 多维空间

    多维空间,是指由4条或者更多条维度组成的空间。 多维空间定义 “维”是一种度量,在三维空间坐标上,加上时间,时空互相联系,就构成四维时空。

    编辑摘要

    基本信息 编辑信息模块

    中文名: 多维空间 英文名: hyperspace
    提出者: 爱因斯坦 应用学科: 物理
    适用领域范围: 物理

    目录

    简介/多维空间 编辑

    我们通常的空间概念,是指由长、宽、高组成的三维空间。时间本身具有维度的某些特点,例如一条时间轴可以连接无数个3维空间,因此可以认为我们生活在3+1维时空(4维空间)中;但时间与长、宽、高却是有很大的区别的,例如时间单位与长度单位是不一样的,因此这还不算真正意义上的多维空间。由于光子只能在三维空间中传播,人的肉眼无法看到其他可能存在的维度,这就使得对多维空间的探寻非常困难。但是,众多的科学家、物理爱好者和科幻迷还是提出了各种有关于多维空间的理论。  

    在平行宇宙理论中,由于存在着无数多个3维宇宙,这些宇宙并不能通过长、宽、高或者时间进行相连,只能通过另外一条维度进行连接,因此平行宇宙本身至少就是一个4+1维时空(5维空间)。

    在弦理论中,认为各种基本粒子都是由很小很小的线状弦组成的,在众多现象难以用理论解释的情况下,爱德华·维顿提出了11维空间的概念。

    有些人认为,进入黑洞就可以见到神秘的多维几何体。

    相关现象/多维空间 编辑

    如果确实存在多维空间,那么世界上可以存在以下这些现象。  

    绝对隐身

    普通的隐身仅仅是指一个事物不发光、不反光而使得别人无法看见它,但任何人都可以摸到它。绝对隐身下的物体却是既不能被看到,也无法被摸到的。如果把蚂蚁假设为只能在两维的地面上移动的生物,再假想有一只能在三维空间中自由活动的蜻蜓飞在蚂蚁的上方,那么蜻蜓可以看见蚂蚁,蚂蚁却无法看到或摸到蜻蜓,蜻蜓就对蚂蚁实现了绝对隐身。同样的道理,如果一个人能够在多维空间中自由运动,他就可以对那些只能在三维空间中自由移动的人做到绝对隐身。

    抄近道

    假设某人沿着地面从地球上的南极点步行到地球北极点,显然要走很长的路,但是一个中微子可以直接从南极点经过地壳、地幔、地核穿到北极点,走的路就近了许多,这正是因为它巧妙地运用了第三条维度。根据广义相对论,空间是弯曲的,我们所生活的这个三维空间很可能是一个四维几何体的封闭曲面,直接通过长、宽、高的方向从一个天体到另一个天体有很长的距离,如果能借助第四条维度,那么就节省了一定距离,也就是抄了近道。在量子物理模型中,多维空间中这种很近的通道又被称为虫洞。

    多维物体投影

    一个圆片穿过一条线,在这条线上的投影会先变长后变短;一个球体穿过一个平面,在这个平面中的投影会由一个点变成一个越来越大的圆,再重新缩小成一个点。在一个四维空间中,一个点为中心,向各个方向延伸相同的距离,可以形成一个密闭的四维几何体,我们不妨把这种四维几何体称为“四维球”;如果有一个“四维球”穿过我们所生活的三维空间,我们可以看到它在这个三维空间中的投影:首先是一个点,随后是越来越大的三维球体,球最后又重新缩小成一个点,直至消失。

    标准模型/多维空间 编辑

    多维时空标准模型,当今世界流行11维时空的说法。

    首先,应先思惟何谓空间,不能被感知的仅停留在概念范畴的应否被定义为空间?

    其次,将“多维”这个概念加到“空间”前是否合理?仅停留在空想或数学理论模型中的“多维空间”对人类来说有实证意义吗?可以有“多维”的概念,但“多维”的还是空间吗?

    具体维数/多维空间 编辑

    熟知维数

    0维

    0维:没有长宽高,单纯的一个点,如奇点(一个无限小的点)。

    一维

    一维空间只有长度

    二维

    二维空间平面世界,只有长度和宽度

    三维

    三维空间长宽高立体世界我们肉眼亲身感觉到看到的世界 三维空间是点的位置由三个坐标决定的空间。客观存在的现实空间就是三维空间,具有长、宽、高三种度量。数学、物理等学科中引进的多维空间概念,是在三维空间基础上所作的科学抽象。

    四维

    四维空间一个时空的概念 日常生活所提及的“四维空间”,大多数都是指阿尔伯特·爱因斯坦在他的《广义相对论》和《狭义相对论》中提及的“四维时空”概念。我们的宇宙是由时间和空间构成。时空的关系,是在空间的架构上比普通三维空间的长、宽、高三条轴外又加了一条时间轴,而这条时间的轴是一条虚数值的轴。根据阿尔伯特·爱因斯坦相对论所说:我们生活中所面对的三维空间加上时间构成所谓四维时空。

    理论维数

    五维

    从我们这个宇宙大爆炸开始到某个可能的结果,这段时间上的持续叫四维,而在这个四维时间线上任何一点都有无限种发展趋势。这样从四维上的某一点分出无限多的时间线,构成了五维空间。

    六维

    五维空间上两条时间线如同二维空间(如报纸上的两个对角点)不能直接到达,而把报纸对折就可以直接到达报纸上的对角点。在六维空间中正如把二维空间弯曲一样,五维空间也可以弯曲,产生了六维空间,在六维空间中可以直接到达五维时间线上的任意一点。

    七维

    七维空间包括了从宇宙大爆炸开始到宇宙结束,所有空间维,所有时间维上的所有可能性,以及在任意两点直接到达的可行性。五维空间是某一点产生无限个发展趋势,七维是所有点即无限点上产生无限个时间线。

    八维

    在七维空间上已经描绘了我们这个宇宙中从始到终,所有空间维,所有时间维,八维是什么呢?对了,还有一个可供操作的点,那就是大爆炸这个点,八维空间中包括了从大爆炸处产生的无限多个宇宙,这些宇宙中有不同的物理定律,不同的引力常数,或许有没有万有引力、光速是否相同也说不定。

    九维

    九维空间则是八维空间的弯曲,在八维空间中,不能直接在各个宇宙中到达不同的两点,而九维空间中则可以在八维空间中的两点间直接到达。

    十维

    根据超弦理论,最小粒子不是实体的物质,而是由不同振动频率的超弦形成的物质,不同的频率产生了不同外在表现。在十维空间中,已经没有物质了,只存在不同振动频率的弦。在十维空间中一切皆有可能。

    十一维

    十一维空间,是由十维空间加上记忆和感知构成,爱因斯坦认为记忆是可延伸且具有弹性的,而感知是存在于时间、空间、记忆之外的。超弦理论的十维空间之后,推出了十一维空间的超膜理论。总之,十一维空间是由时间、空间、记忆与感知构成的。

    维的定义/多维空间 编辑

    一维是线,二维是面,三维是静态空间,四维是动态空间(因为有了时间)。

    我们在物理学中描述某一变化着的事件时 所必须的变化的参数。这个参数就叫做维。几个参数就是几个维。比如描述“门”的位置就只需要角度所以是一维的 而不是二维

    简单地说:0维是点,没有长、宽、高。一维是由无数的点组成的一条线,只有长度,没有宽、高。二维是由无数的线组成的面,有长、宽没有高。三维是由无数的面组成的体,有长宽高。维可以理解成方向。

    因为人的眼睛只能看到三维,所以三维以上很难解释。正如一个智力正常,先天只有一只眼睛,一只耳朵的人(这样就没有双眼效应,双耳效应),他就很难理解距离了,他很可能认为这个世界是2维的.

    一个简单的说法:N维就是N条直线两两垂直所形成的空间

    因为,人类只能理解到3维,所以后面的维度可以通过数学理论构建,但要仔细理解就很难.在量子力学,当今仍在建立的膜理论,认为世界是11维的.

    存在意义/多维空间 编辑

    理解了宇宙的空间有更多维存在,再回过来看相对论与量子理论是如何产生矛盾的,我们就很容易理解了:这两个理论在日常的三维空间里是不可能统一的,它们的矛盾是必然的,只有在高维空间里才能得到统一。

    为了更好地理解这一点,我们可以举一个三维世界和二维世界的例子。我们首先假设有一些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,试想一想,一个平面生命怎么能够通过投影来想象三维物体的丰富性和完整性呢?当三维物体与平面世界接触时,三维物体在平面世界上的零碎片段,比如一张桌子的四根脚柱、人印在地面上的两双鞋印,更让平面生命摸不着头脑——这些拼不到一起的碎片究竟意味着什么呢?它们不能想象,四片互不相连的印迹怎么会构成一张完整的桌子呢?那断断续续的鞋印上怎么会有一双完整的鞋呢?而且,鞋的上面竟然还有一个更加完整的人!用二维的眼光来打量这些碎片,你永远不可能将它们拼成一个整体。  

    于是有一天,一个足智多谋的平面生命偶然想出一个绝妙的主意。它宣布,平面世界之外还有一个“向上”的第三维,如果顺着这些碎片“向上”看,其实碎片是一个完整的整体!这真是个惊人的见解,大多数平面生命都困惑不解。

    相对论和量子理论的遭遇与这种情况非常相似,在我们的三维空间里,它们就像两块互不相干的碎片,永远也拼合不到一起。但把空间“向上”抬一抬,把宇宙变为十维空间,相对论和量子理论这两块看似互不相干的碎片就会令人震惊地结合得天衣无缝,成为一个更完整的理论大厦的两根互相依存的支柱!虽然我们在三维空间中无法想象和描述一个多维的空间,但我们却能通过复杂的数学方程推导出它的存在。

    产生/多维空间 编辑

    在宇宙的极早期,它诞生的10^-43秒内,它的直径仅有10^-33厘米,含有丰富的十维空间,所有的空间维度平等地卷缩在一起。在那样的空间中,宇宙的能量极高、温度极高,所有四种力都融为一体,相对论和量子理论可以归结为一个理论。

    但是,这样高维度、高能量、高温度的空间是极不稳定的,就像胀气太多的气球,于是大爆炸发生了。维度被解散、能量发散、温度降低。三维的空间和一维的时间无限延伸开来,逐渐形成了我们今天可感知的宇宙;而另外六维的空间则仍然卷缩在普朗克尺度(即10^-33厘米)以内。

    当宇宙处在10^32K这样极高的温度(这温度比我们得到的太阳的温度高10^26倍)时,引力与其他大统一力分离开来,引力随着宇宙的膨胀而不断延伸成长成力,随着宇宙进一步胀大和冷却,其它三种力也开始破裂,强相互作用力和弱—电力剥离开来。

    当宇宙产生10^-9秒之后,它的温度降低到了10^15K,这时弱—电力破缺为电磁力和弱相互作用力。在这一温度,所有四种力都已相互分离,宇宙成了由自由夸克、轻子和光子组成的一锅“汤”。稍后,随着宇宙进一步冷却,夸克组合成质子和中子。它们最终形成原子核。在宇宙产生3分钟后,稳定的原子核开始形成。

    当大爆炸发生30万年后,最早的原子问世。宇宙的温度降至3000K,氢原子可以形成,其不至于由碰撞而破裂。此时,宇宙终于变得透明,光可以传播数光年而不被吸收。

    在大爆炸发生100至200亿年后的今天,宇宙惊人的不对称,破缺致使四种力彼此间有惊人的差异。原始火球的温度已被冷却至3K,这已接近绝对零度。

    这就是宇宙的演变史,随着宇宙的渐渐冷却,力将解除相互的纠缠,逐步分离出来。首先引力破裂出来,然后强相互作用力,接着弱力,最后只有电磁力保持不破缺。

    使用几何体系是人们使用图形形象的描述运动的一种方法。在几何图形中,使用独立变量的个数称为维数。描述一个物体,三维也就够了,不需要第四维。更不需要多于四维的维度。当一个物体的形态不随着时间变化时,一个物体的运动就可以简化为二维,一个空间维,一个时间维。如果物体的形态随着时间变化,可以使用第四维vt,但不能使用ct,因为物体的运动速度不都是光速不能把所有的物体运动速度都说成光速。在所有几何体系中,只有欧氏几何的坐标轴是平直的,三维只在坐标原点有个交点,推广到四维,同样应该是这样。虽然弯曲的坐标轴可以方便的表示物体的运动,照样不是可取的。因为结果不是唯一的。坐标轴是比较基准的图上显示,是不能随意选取的。

    空间裂缝/多维空间 编辑

    超弦理论还给我们带来一个更加令人震惊的结果:我们的空间结构居然是离散的,而不是连续的!在我们的日常经验中,空间和时间总是无限可分的,但事实却大谬不然。空间和时间都有自己的最小值:空间的最小尺度为10^-33厘米,时间的最小值是10^-43秒。因为当空间小到10^-33厘米后,时间和空间就会融为一体,空间维度就会高达十维,在这样的情况下,即使空间还能分割,那也是我们现在所不能了解的了。

    事实上,量子理论就是关于“离散的量”理论,“量子”一词的含意就是“一个量”或“一个离散的量”。早在1900年,量子理论刚诞生时,科学家们就发现,在微小的粒子世界,能量是一份一份发出的,而不是连续发出的。就像人民币的最小单位是“分”,乒乓球只能一个一个地买,而不能半个半个地买,这些都是日常生活中关于事物不可无限分割的例子。

    虽然当时科学家已经知道了粒子能量的不连续性,但他们却不知道为何有这种不连续性,只是被迫接受而已。但我们都知道了,这与空间的不连续性密切相关。正是由于空间有最小的、不可分割的单位,才会影响到基本粒子的能量发射方式。

    所以,我们基于时间和空间是连续的旧理论必须被抛弃,在普朗克尺度下,弦是一段一段的,开弦就是一段线,闭弦就是一个圆圈,每一个弦片携带的都是一份一份的动量和能量。

    空间具有一个最小的、不可分割的值,这个不可思议的现象会导致什么样的结果呢?我们很容易想到:我们宏观的空间结构是由一份份最小的空间包组合起来,在这一份份的空间包中间,极有可能存在着我们无法探测的空间裂缝!所谓“虫洞理论”中在空间中凿开一个洞口的设想,从理论上来说真的是可行的,这就是寻找相邻空间包之间的裂缝,然后用难以想象的高能量轰开这个裂缝,一个虫洞就出现了!可以说,小小的十维空间包以及它们之间的裂缝存在于我们空间的每一个角落,只要我们有足够的能量,我们可以在任何地方凿开一个虫洞。

    大统一宇宙理论

    今天,我们深深知道,浩瀚宇宙中所有纷繁复杂的现象都可以追溯到同一个源头,人类发现的大大小小的规律最终都可以被一个根本的规律所囊括。为了理解这一点,我们以地球生命的发展为例:我们人类不同的人种都可以追溯到同一个起源,而人、猩猩、猿猴又可以追溯到同一个祖先,以此类推,所有的哺乳动物都拥有相同的祖先,所有的动植物也都拥有相同的祖先,最后,所有的生命都起源于同一个细胞——生命只有一个源头。

    宇宙中所有星系的起源也同样能够追溯到同一个源头,太阳系中的星体都起源于同一个星云,所有的星云都起源于相同的分子,所有的分子都由那几百种基本粒子演变而来。这样,顺着时间之流一直向上溯源,我们终于来到了大爆炸开始的时刻,在这里,空间、时间和物质都是融为一体的,一切都归结为一点。

    宇宙从同一点出发,经过了100多亿年的漫长岁月,进化出一个复杂多变的世界,但不管这个世界是如何千变万化,在所有现象的背后,都有一个最根本的规律在运行,这就是宇宙起点时的源头规律。这个规律就是一个包罗万象的规律——所谓“万物至理”即是如此。

    这个“万物至理”的理论就是超弦理论,它建构了宇宙开始时刻的十维空间图象,随着十维空间的崩裂,超弦理论也分裂成两个理论——相对论和量子理论,此后,随着物质丰富性的增加,它们又分裂成更多的理论。今天,我们不断向上回溯,终于描绘出了宇宙大统一的图景——一个极具神秘色彩的十维宇宙。

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