基本概念
根據愛因斯坦相對論所說:我們生活中所面對的三維空間加上時間構成所謂四維空間。由于我們在地球上所感覺到的時間運行很慢,所以不會明顯的感覺到四維空間的存在,但一旦登上宇宙飛船或到達宇宙之中,使本身所在參照系的速度開始變快或開始接近光速時,我們能對比的找到時間的變化。
如果你在時速接近光速的飛船裡航行,你的生命會比在地球上的人要長很多。并且,鐘在飛行的火箭中變慢也用事實證實了這一點。這裡有一種勢場所在,物質的能量會随着速度的改變而改變。
所以時間的變化及對比是以物質的速度為參照系的。這就是時間為什麼是四維空間的要素之一的原因。
解析信息
什麼是四維?現在的說法是三維空間加上時間這一維,構成所謂的四維空間。然而,這種說法是一擊即破的。為什麼?
我們可以從二維來考慮。一個二維生物(如果有的話),他們考慮所謂的三維空間絕對和我們所認識的三維空間不同——它們會把時間作為第三維,因為他們無法感受這一維的存在。同樣,我們現在也走進了這個誤區,把時間算做第四維。
可能四維生物看到我們在宣揚這種思想時,也在為我們歎息。那麼時間算不算一維?在我看來,時間應該算是一維,即在多維生物本身的維度之外再加N維,構成新的M+N維空間,而且這樣也有助于幫我們解決一些問題,也可以使我們對比三維維度更高的空間加深認識。
有一個更新的構想,即所有的維度都是由時間構成,沒有時間,就沒有空間,包括最基本的一維空間。這應該好理解,因為沒有時間,空間本身的存在就沒有任何意義,因為時空本身就是不能分割的整體。
那麼,為什麼一種時間可以形成不同的維度空間?這裡,我們可以把時間看成是一種可以分解的常量。時間可以分解,這一句話理解起來可能有點困難。
但是,隻要想通了道理也是很簡單的。要明白這個道理,首先必須了解兩點。第一是時空的不可分性,這一點估計大家都明白,離開了空間談時間,或者離開了時間談空間,都是毫無意義的。第二點是時間的多樣性,這一點了解起來可能有一點麻煩。
在日常生活中,我們接觸到的都是時間的合成體,也就是各個分時間有機結合形成的一個總的時間體系。可能你們會覺得我是在狡辯,其實不是。隻要你們換一個角度去想,一個結果,可能是幾個不同的原因形成的。
就拿運動來說,我們觀察到的一般都是幾個不同運動産生的一種運動的結合體,即合運動。關于時間,我們也可以這樣去想。我們看到的時間結合體,可以是由物體運動的時間,曆史時間(即經曆時間)和其他的一些時間構成。而運動時間,我們又可以看成由上下運動的時間,左右運動的時間和前後運動的時間。
當然,劃分方法是多樣的,這就構成了時間的多樣性,至于如何去劃分,這就要由不同的情況而定。一部分時間對應一段空間。在這個不完整的空間裡,時間起到了決定性的作用。
我們之所以是三維生物,是因為這個維度的空間裡隻存在三維的時間。時間的不完整決定了空間的不完整。我們不能認識其他維度的空間,是因為我們不具備在那個空間裡面運動的時間。
時間的多樣性決定的空間的多樣性。同時,因為時間的不同分解方式,注定了我們的三維空間也是相對的,它可以被命名為一維,二維,甚至是任意維——完全取決于不同的分解方式。時間是決定維度的關鍵,同時,它也是決定低維物體高維存在方式的關鍵。
讓我們看看科學上的說法:低維是空間上的缺陷,它們不具備在高維世界内運動的空間。關于這一點,有一個疑問,那就是我們怎麼可以發現這個缺陷。
我們認為的低維不存在某一個空間長度,是因為我們無法确定它有那一個長度,也就是我們現在用最好的設備也無法觀察到那一個長度差。那麼,将來呢?我們現在無法認證,可能将來會有人證明那個低維物體确實屬于高維。
因此,低維與高維并不存在所謂的空間差。那麼,我們如何區别高維與低維?很簡單,用時間。用時間去解釋任何一個維度空間,我們也可以認為,低維之所以比高維低級,是因為它們存在時間上的缺陷,它們無法在時間範疇内感受高維的存在。
所以,我們要去了解低維或者高維,先要知道它們存在的時間範圍。高維與低維之間可以實現轉化,道理是很簡單的,隻要加入或者去掉一個時間單位就可以了。
然而說起來很容易,做起來卻很複雜,我們對時間的概念都是如此模糊,要想在空間範圍内實現時間的轉化就更困難。
對四維空間,一般人可能隻是認為在長、寬、高的軸上,再加上一根時間軸,但對于其具體情況,大部分的人仍知之甚少。有一位專家曾打過一個比方:讓我們先假設一些生活在二維空間的扁片人,他們隻有平面概念。
假如要将一個二維扁片人關起來,隻需要用線在他四周畫一個圈即可,這樣一來,在二維空間的範圍内,他無論如何也走不出這個圈。現在我們這些生活在三維空間的人對其進行“幹涉”。
我們隻需從第三個方向(即從表示高度的那跟軸的方向),将二維人從圈中取出,再放回二維空間的其他地方即可。對我們這些三維人而言,四維空間的情況就與上述解釋十分類似。如果我們能克服四維空間,那麼,在瞬間跨越三維空間的距離也不是不可能。
零維空間
從零維空間到四維空間—淺談幾何中的純概念研究。
摘要
幾何不一定是真實現象的描述,幾何空間和自然空間并不能完全等同看待,純概念的研究幾何的發展是數學界的一個裡程碑。
從零維空間到三維空間,尤其是從三維空間到四維空間的發展更是幾何學的的一次革命。
關鍵詞
零維;一維;二維;三維;四維;n維;幾何元素;點;直線;平面。
正文
n維空間概念,在18世紀随着分析力學的發展而有所前進。在達朗貝爾.歐拉和拉格朗日的着作中無關緊要的出現第四維的概念,達朗貝爾在《百科全書》關于維數的條目中提議把時間想象為第四維。
在19世紀高于三維的幾何學還是被拒絕的。麥比烏斯(karlaugustmobius1790-1868)在其《重心的計算》中指出,在三維空間中兩個互為鏡像的圖形是不能重疊的,而在四維空間中卻能疊合起來。
但後來他又說:這樣的四維空間難于想象,所以疊合是不可能的。這種情況的出現是由于人們把幾何空間與自然空間完全等同看待的結果。以至直到1860年,庫摩爾(ernsteduardkummer1810-1893)還嘲弄四維幾何學。
但是,随着數學家逐漸引進一些沒有或很少有直接物理意義的概念,例如虛數,數學家們才學會了擺脫“數學是真實現象的描述”的觀念,逐漸走上純觀念的研究方式。虛數曾經是很令人費解的,因為它在自然界中沒有實在性。
把虛數作為直線上的一個定向距離,把複數當作平面上的一個點或向量,這種解釋為後來的四元素,非歐幾裡得幾何學,幾何學中的複元素,n維幾何學以及各種稀奇古怪的函數,超限數等的引進開了先河,擺脫直接為物理學服務這一觀念迎來了n維幾何學。
1844年格拉斯曼在四元數的啟發下,作了更大的推廣,發表《線性擴張》,1862年又将其修訂為《擴張論》。他第一次涉及一般的n維幾何的概念,他在1848年的一篇文章中說:我的擴張的演算建立了空間理論的抽象基礎,即它脫離了一切空間的直觀,成為一個純粹的數學的科學,隻是在對(物理)空間作特殊應用時才構成幾何學。
然而擴張演算中的定理并不單單是把幾何結果翻譯成抽象的語言,它們有非常一般的重要性,因為普通幾何受(物理)空間的限制。格拉斯曼強調,幾何學可以物理應用發展純智力的研究。幾何學從此開始割斷了與物理學的聯系而獨自向前發展。
經過衆多的學者的研究,遂于1850年以後,n維幾何學逐漸被數學界接受。
以上是n維幾何發展的曲折曆程,以下是n維幾何發展的一些具體過程。
首先,我們将點看作零維空間,直線看作一維空間,平面看作二維空間,并觀察以下公設:
屬于一條直線的兩個點确定這條直線。1.1
屬于一條直線的兩個平面确定這一條直線。(比較這個公設和公設1.1)。1.2
屬于同一個點的兩條直線也屬于同一個平面。(公設1.2的推論)1.3
屬于同一個平面的兩條直線,也屬于同一個點。1.4
可以推斷出:
1.具有相同維數的兩個空間,在某些條件下,确定另一個高一維的空間。例如:兩個點(我們将它們看作兩個零維空間)确定一條直線(一維空間)。屬于同一個點(規定的條件)的兩條直線(兩個一維空間)也屬于同一個平面(二維空間)。
2.具有相同維數的兩個空間,在某些條件下,也可以确定一個低一維的空間。例如:兩個平面(兩個二維空間)确定一條屬于它們的直線(一維空間)。屬于同一平面(限定的條件)的兩條直線(兩個一維空間)确定一個點(零維空間)。
3.結論2沒有包括這一事實,即兩個平面可以确定一個高一維的空間。它隻假定它們确定一條直線,這是比平面低一維的空間。這就留下了一個把我們的思想引申到高維空間的缺口。這個缺口的消除可在推論1.3“屬于同一個點的兩條直線也屬于同一個平面”中,用幾何元素直線、平面和三維空間依次的代替幾何元素點、直線和平面來達到。
下面的推論是替換的結果。屬于同一條直線的兩個平面也屬于同一個三維空間。
有了這個新的推論,我們就把與其他幾何元素直接對應的幾何元素——三維空間也包括了。
下一步是把對偶原理應用于這一推理,并從這些新引申的推論中得到一些固有的結論。在對偶原理将通過幾何元素——平面和空間的位置交換而被應用。這時我們得到下述推論:
屬于同一條直線的兩個三維空間也屬于同一個平面。1.5
從推論1.5我們可以得到下述公設:
屬于一個平面的兩個共存的三維空間确定這一個平面。1.6
在上述1.5和1.6的基礎上,可以提出下面的看法:
1.四維空間的幾何條件是很明顯的,因為維數相同的兩個已知空間,隻能共存于比它們高一維的空間裡。例如:兩條不同的共存直線(一維)位于一個平面内(二維);兩個不同的共存平面(二維)(沿一直線共存)位于一個三維空間裡;兩個不同的共存三維空間(沿一個平面共存)位于一個四維空間裡。
2.在幾何上被看作是不屬于同一直線而相交于一點的兩個平面,屬于不同的各别的三維空間。
四維空間的概念也可以通過解析幾何的手段來研究。在那裡我們可以利用代數方程來表示幾何概念。為了利用這個手段進行觀察以導緻對四維空間的理解,我們來研究三維空間體系中的三個幾何元素——點、直線和平面的方程。利用笛卡爾系統表示,我們可以寫出:
點的方程:ax+b=0(坐标系:直線上的一個點)。
直線的方程:ax+by+c=0(坐标系:平面上的兩條正交直線)。
平面的方程:ax+by+cz+d=0(坐标系:三維空間的三個互相垂直的平面)。
從上面的研究我們可以看出:
所表示的每一個幾何元素(或空間)的方程中的變量數目,等于這個空間的維數加1。
坐标系中的幾何元素與被表示的幾何空間的幾何元素的維數相同。
在這個坐标系中,幾何元素的數目等于被表示的空間的維數加1。在坐标系中,幾何元素的這個數目是最低要求。
用來表示幾何元素的坐标系,位于比它所含有的幾何元素高一維的空間裡。
根據上述觀察,我們可以寫出三維空間的下述方程。應當注意:這個方程有四個變量(x、y、z、u)。
ax+by+cz+du+e=0
現在我們可以斷定:
1.這個坐标系的幾何元素有三維,即它們是三維空間。
2.在這個坐标系中有四個三維空間。
3.這個坐标系位于一個四維空間裡。
我們對于四維空間乃至更高空間的研究,不是通過實驗總結的方式,在現實中我們很難發現并推導出它們的一般規律,對于這些問題,我們可以采取一種新的研究方式。即:純概念的研究。通過這種方式,我們可以容易的推導出這些很重要但在現實中不易想象的新内容。
物理世界
在數學上有各種多維空間,但目前為止,我們認識的物理世界隻是四維,即三維空間加一維時間。現代微觀物理學提到的高維空間是另一層意思,隻有數學意義。
四維時空是構成真實世界的最低維度,我們的世界恰好是四維,至于高維真實空間,至少現在我們還無法感知。我在一個帖子上說過一個例子,一把尺子在三維空間裡(不含時間)轉動,其長度不變,但旋轉它時,它的各坐标值均發生了變化,且坐标之間是有聯系的。
四維時空的意義就是時間是第四維坐标,它與空間坐标是有聯系的,也就是說時空是統一的,不可分割的整體,它們是一種“此消彼長”的關系。
四維時空不僅限于此,由質能關系知,質量和能量實際是一回事,質量(或能量)并不是獨立的,而是與運動狀态相關的,比如速度越大,質量越大。
在四維時空裡,質量(或能量)實際是四維動量的第四維分量,動量是描述物質運動的量,因此質量與運動狀态有關就是理所當然的了。在四維時空裡,動量和能量實現了統一,稱為能量動量四矢。另外在四維時空裡還定義了四維速度,四維加速度,四維力,電磁場方程組的四維形式等。
值得一提的是,電磁場方程組的四維形式更加完美,完全統一了電和磁,電場和磁場用一個統一的電磁場張量來描述。四維時空的物理定律比三維定律要完美的多,這說明我們的世界的确是四維的。可以說至少它比牛頓力學要完美的多。至少由它的完美性,我們不能對它妄加懷疑。
在狹義相對論中,時間與空間構成了一個不可分割的整體——四維時空,能量與動量也構成了一個不可分割的整體——四維動量。這說明自然界一些看似毫不相幹的量之間可能存在深刻的聯系。
在今後論及廣義相對論時我們還會看到,時空與能量動量四矢之間也存在着深刻的聯系。
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第四空間軟件世界,簡稱第四空間,創建于2012年2月份,緻力于為大家提供互聯網上免費好玩的軟件以及各種IT資訊,同時也是站長某某人的個人博客,第四空間軟件世界的建立也算是為了實現站長某某人多年來的一個願望,第四空間不求能夠盈利,隻為了多年之後還可以在回頭看看當初的夢想。
站長某某人是一位普通的有點平凡,平凡的不能普通的一個小人物,喜歡在互聯網上淘一些不錯的軟件,找一些不錯的資源。某某人不懂代碼,不懂PS,為了做好第四空間學習了好多好多,一直是某某人自己在運作着網站。
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第四空間軟件世界于2013.1.25日更名為軟件城,并且網站進行了一下更加貼切的用戶體驗,網站的網址也進行了更換,當然訪問原來的地址仍然可以進入軟件城,未來的軟件城将會持續為大家提供好玩好用的精品軟件。