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细思极恐:一张图弄明白从零维到十维空间

(2017-01-18 10:28:39) 下一个

细思极恐:一张图弄明白从零维到十维空间 

 

 

作者:商老师,来源:商老师的设计学堂(shang50080)

 

 

请同学们打开脑洞,看我用一支笔几张纸来为同学们展开从零维空间到十维空间之旅吧!

 


 

声明:本文中的理论均依据弦理论物理的知识,结合简单的图示和通俗的道理来解释,不是信口开河,具有科学依据。

 


 

零维

 

让我们从一个点开始,和我们几何意义上的点一样,它没有大小、没有维度。它只是被想象出来的、作为标志一个位置的点。它什么也没有,空间、时间通通不存在,这就是零维度。

 

 

一维空间

 

好的,理解了零维之后我们开始一维空间。已经存在了一个点,我们再画一个点。两点之间连一条线。噔噔噔!一维空间诞生了!我们创造了空间!

一维空间只有长度,没有宽度和深度

 

二维空间

 

我们拥有了一条线,也就是拥有了一维空间。如何升级到二维呢?很简单,再画一条线,穿过原先的这条线,我么就有了二维空间,二维空间里的物体有宽度和长度,但是没有深度。你可以试一试,在纸上画一个长方形,长方形内部就是一个二维空间。

 

 

这里,为了帮助大家方便理解高维度的空间,我们用两条相交的线段来表示二维空间。

 

为了向更高的维度前进,现在我们现在来想象一下二维世界里的生物。因为二

维空间没有深度(也可以理解成厚度),只有长度与宽度,我们就可以将它理解成“纸片人”,或者是扑克牌K.J.A Q里的画像。因为维度的局限,这个可怜的二维生物也只能看到二维的形状。如果让它去看一个三维的球体,那么他只能看到的是这个球体的截面,也就是一个圆。

 

三维空间

 

三维空间大家肯定熟悉,我们无时无刻都生活在三维空间中。三维空间有长度、宽度与高度。

 

但是,我要用另一种思维来表达三维空间,只有这样,才可以向更高维度推进。

好,现在我们有一张报纸,上面有一只蚂蚁。我们就姑且把蚂蚁君看作是“二维生物”,我在二维的纸面上移动。如果要让他从纸的一边爬到另一边,则蚂蚁君需要走过整个纸张。但是我们把这张纸卷起来呢?成为一个圆柱,一个三维空间里的物体;这时蚂蚁君只需要走过接缝的位置,就到达了目的地。(对了!就是传说中的虫洞)换句话说,把二维空间弯曲,就得到了三维空间,我们就可以这样来表达。

 

 

再解释一遍,在这个图示上,蚂蚁从A点消失,B点出现,你们想想,就是这意思,卷曲产生新的维度

 

 

 

 


 

好了,开始进入烧脑阶段!

 

 


 

前三个维度我们可以简单理解成长、宽、高。那么我们怎么理解四维空间?

 

四维空间

 

四维比三维多一维,它是什么?是时间!

想象一下,左边有一个1分钟之前的我,右边则是现在我,将这“两个我”看成两个点 ,穿过他们连线,它就是四维空间里的线。太棒了,四维空间出现了!

 

 

那么在现实当中我们可以看到过去和未来的我么?不能!因为我们是三维生物,活在三维空间中。 就像上文提到的,那位二维生物只能看到三维物体的截面一样,我们作为三维生物,只能看到四维空间的截面,也就是现在的你、我、他;换句话说就是此时此刻的世界 

 

 

你们还可以么?我要开始讲五维空间了哦

 

五维空间

 

首先我们要明确一点,低维度生物不能意识到高维度空间发生的事情。我们从出生到现在,都感觉自己在同一个空间里。我们常说“随着时间的推移”,其实就是沿着时间线向前,这条时间线就是四维空间里的那条线,换句话说,三维的我们沿着四维空间里的时间线向前走

假如我们是四维空间生物,我们就可以看到过去、现在、将来各个时段的我们自己。但是,时间线只有一条,还记得前文中两条线交叉,将一维升级为二维么?那么现在,在四维这条时间线的基础上,我再加一条时间线和这条时间线交叉,五维空间就出现了!

 

不懂?没关系!例子举起来!比如说,你大学毕业参加工作,工作了5年,现在是一名经理,那么四维空间里你只能看到大学毕业的你以及成为白领的这条时间线上的你。 如果当初你初中毕业就去学烹饪,现在是一名厨师。那么这就是另一条时间线上的你。

在五维空间中,你可以看到成为经理的你,也可以看到成为厨师的你。总结的说,五维空间,你可以看到你未来的不同分支。

 

六维空间

 

OK 我开始解释六维空间。现在的你如果想拜访一下过去的你,怎么办?我们可以将四维空间中任意一条时间线弯曲,这样你就可以跳回以前,去见以前的你。换句话说,五维空间中,你可以“穿越”回到一条时间线上的过去

 

还是拿“经理的你”和“厨师的你”举例子,厨师的你感觉日子很艰辛,每天油烟呛人,你想成为经理,安安静静在办公室里坐着。怎么办?五维空间中,你可以穿越到你初中毕业的时候,告诉以前的你,一定要继续读书,上高中,考大学,做白领。不过这很费力,而且风险很大,初中毕业的你需要作出不同的选择,每一种选择都会产生一个新的时间线,一个不同版本的未来。

 

你们还记得二维空间中蚂蚁君和报纸么?弯曲一个空间产生一个新的维度。对了!我们直接把五维空间弯曲,产生六维空间。这样,你就可以穿越到“经理的你”这条时间线,看一看另一个版本的你。


 

七维空间

 

如果你能看到这里,恭喜你,你的脑洞已经很大了。

好,我们继续,七维空间走起来。还是那个例子,前面提到两个时间线:经理与厨师。初中毕业的你,不可能只有这两种选择,而是近乎无限。怎么解释,你的每一个决定都在塑造出一个特有的你。你可以成为任何一种你。概括地说,初中毕业的你是一个起点,所有的时间线。都从这个点向外辐射,数量是无穷大,那么最后,七维空间里的一个点,里面包含着“初中毕业的你”开始的无限种可能

 

那么怎么画出七维空间里的一条线?我们需要另一个点,但是这个点已经包含了无限,如何再去找另外一个点?那就是另一种开端。

 

没关系,我们举例子,你会懂得。前文中我们提到由“初中毕业的你”为开端而产生的七维无限点;如果你小学毕业的时候就作出不同的选择呢?每一个选择又会塑造一个不同的你;那么以“小学毕业的你”为开端,就会产生另一个包含着无限时间线的点。将这两点连成一条线,就是七维空间的线。

 

 

八维空间

 

 

 还记得文章开始时提到的一维的线么?我们把另外一条线穿过它,就变成了二维空间。同样的道理,我们来给七维空间升级。例子呢,还是那个“你”。我们又找到了两个点,一个是由“大学毕业的你”为开端产生的七维无限点,另一个是由“50岁的你”为开端产生的无限点。将这两点连线,与上文中那条连接“初中毕业的你”无限点“小学毕业的你”无限点的这条线相交。我们就得到了八维空间!

 

九维空间

 

好了,讲到这里,你其实可以想象出九维空间是什么样了。我们把八维空间理解成那张报纸,平平的。这时蚂蚁君又出现了,不过它已经进化成八维空间生物了,给它一样的任务,要他横跨整个报纸去目的地,怎么办?将报纸再一次卷起来,虫洞又出现了。蚂蚁君顺利穿过虫洞出现在目的地。也就是说,将八维空间继续卷曲,我们就得到了九维空间

 

 

十维空间

 

这里我来总结一下,回顾上文,从零维到四维,我们经历了点、线、面、体这个升级流程。然后四维空间又可以看做一点充满着三维空间中所有可能性的连线,这个连线就是时间

 

从四维到八维,我们又经历了点、线、面、体的升级流程。八维的点,充满着七维空间中所有可能性的连线。

 

八维空间继续升级。还是那个“你”,以八维空间的点为起始,我们必须想出所有的可能,每一种可能都与八维的这个点相连,最后,我们得到十维空间里的一个点,充满着九维空间中所有可能性的连线

 

还能再升级么?不能了,在十维空间中,我们找不到任何一个空间可以在划出一个点,因为,十维空间就是一个点!

它包含着所有的宇宙、所有的可能性、所有的时间线、所有的所有...........

 

从零位到十维,我们经历了这么多,最后,它还是一个点...... 有趣么? 谢谢您的阅读!

 

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评论
ling1984 回复 悄悄话 一些頂尖級物理學家認為,時間僅僅是人思維中形成的概念,真正的時間不是這樣。提出宇宙「大擠壓」(Big Crunch)理論的物理學家推測,宇宙在發生大擠壓時,時間會逆轉,一切都向過去發生。

物理學家認為,有「單元宇宙」(block-universe),那裡的時間和空間是連在一起的,因此可以用「時空」(spacetime)來描述。而這種理論是以愛因斯坦的相對論為基礎,認為空間和時間只是四維時空結構的一個組成部分,這個四維時空中的萬事萬物都有各自的「時空」聯繫特點。

在這個四維時空結構中,我們所認為的過去、現在和將來其實都是同時存在的,只不過它們之間的差異在於,它們分別是這個結構的不同組成部分。

麻省理工學院的物理學家麥克斯?德格馬克(Max Tegmark)說:「我們可以把時間描繪為三維的存在方式,在這個三維地方裡,事情隨著時間的變化而變化。而時間也可以被描繪成四維存在方式,在這個四維的地方,卻是什麼也沒有發生『單元宇宙』。」

德格馬克進一步解釋:「我們有一種幻覺,認為過去已經發生,將來還不存在,因此事物在變化。」但是,按照四維時空的構想,「則會發現沒有發生任何變化,過去、現在和將來已經存在那裡。」

德格馬克從記憶的角度講解,人的這種幻覺是因為「正在意識到現在的狀態,而把過去當作記憶」。

英國物理學家朱利安?巴伯(Julian Barbour)將萬事萬物描述為一系列「現在」。巴伯說:「在我們的生命中,我們在沿著連續不斷的『現在』運動著。那麼,這些『現在』是什麼呢?」

巴伯認為,在時空理論中,任何東西和事物都有它自己的存在位置,如同一個國家,其中的城市、區域都是一個個存在,是數學規律將它們連接在一起。人的記憶力是造成幻覺的原因。

巴伯解釋說:「人知道上週的證據是人的記憶力。但是,記憶來自人大腦神經元的穩定結構目前發揮的功能。」
ling1984 回复 悄悄话 回复 'Kastalia''heisse''小二哥李白' 的评论 : 谢谢你们指出时空与空间的不同,作者在开篇提及他是根据物理弦理论作为此篇推演多维时空的基础。时间是什么?时间有单位吗? 时间的单位和三维空间里的长宽高如若不同,真的不能当作另一维吗? 还待方家厘清。我还是肯定此篇文章的作者想以简单明了的图式科普多维时空的用心良苦。
Kastalia 回复 悄悄话 heisse兄讲出了关键一点:不可将空间与时间混为一谈。
heisse 回复 悄悄话 十一维空间只是一个科学概念, 三维空间和一维时间是我们看到的一切, 根据物理学家的看法还应该有7个维。尽管有这么多的维,但这些维是看不见的,它们自身卷在了一起,被称为压缩的维, 总结,十一维空间就是由10维空间加上时间构成,超弦理论的十维空间之后,推出了十一维空间的超膜理论。
heisse 回复 悄悄话 十一维空间只是一个科学概念, 三维空间和一维时间是我们看到的一切, 根据物理学家的看法还应该有7个维。尽管有这么多的维,但这些维是看不见的,它们自身卷在了一起,被称为压缩的维, 总结,十一维空间就是由10维空间加上时间构成,超弦理论的十维空间之后,推出了十一维空间的超膜理论。
heisse 回复 悄悄话 高维度时空和高维度空间是不同的。举例来说,在三维空间中只有一个时间维度,但它是一个伪维度,即它的单位和其他三个维度不同。四维空间的第四维仍然和三维空间的维度具有相同性质,时间仍是伪维度。因此,不可把时空和空间混为一谈
heisse 回复 悄悄话 误导,

一般人说到“四维空间”时,经常是误指爱因斯坦在他的广义相对论和狭义相对论中中提及的四维时空概念。这种普遍性的误用,是由于相对论的相关科普和文艺作品的流行。

我们假定有一个立方体,它的长、宽、高互成九十度直角,如果有一个方向与这个立方体的长、宽、高皆成九十度的直角,这个方向即是指向第四维空间了



武胜 回复 悄悄话 楼下小二说得对。

就算像0到3空间维那样扩充想象中的时间维,也应该对应3到6维,第4维是1维时间而不是0维时间。
小二哥李白 回复 悄悄话 误导,四维以上多出来的维数是在微空间和微时间,是常规三维空间和时间不可以细分到的格度。

我们宇宙的粒子和能量(量子)不是无穷小,有些空间格度我们宇宙的粒子和能量只能够跳过,不能够经过。跳过那些空间时不遵从宏观的时间空间关系(s = v * t)。这就产生了多维空间的幻像。

那些空间实际存在不存在还有待探索。

nanax 回复 悄悄话 所以,从四维开始,多出来的维度都是时间了
少年老成 回复 悄悄话 有趣,但无助,就想面对鬼魂学,只给你好奇的权利。
shavignon 回复 悄悄话 一看着这个解释,想起了斯嘉丽的超体。那其实每个人都是一个无限体
京工人 回复 悄悄话 我们每时每刻都生活在三维空间中。“我们无时无刻不生活在三维空间中。”
新中美 回复 悄悄话 一维,二维和三维都有时间,为什么到了四维时间就变成一个维度了?
另外在二维也看不到圆形,只能是一条一维的直线。实际上我们在三维世界里看到的都是二维的图像。
这一世 回复 悄悄话 厉害!
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