科學家通過壹維、二維、三維空間的演化,提出了壹個關於四維空間的猜想。零維是在任何方向都沒有長度的點。壹維是無數個點組成的線,只有長度沒有寬度和高度。二維是由無數條線組成的面,有長和寬,但沒有高。三維是由無數個面組成的形體,有長有寬有高。四維呢?四維是由想象力的四個相互垂直的維度組成的空間(這個真的很頭疼)。
1.四維空間有什麽特點?
從低維現實世界的體驗中,我們可以想象,如果壹個人生活在二維世界中,他所體驗的世界只有前後左右兩個維度。如果壹個三維球體穿過這個二維世界。二維的人會在他的世界裏看到壹個圓。他可以繞著壹個圓走,測量這個圓的周長,但是他無法直觀地感知球體的體積。在球體穿過二維平面的整個過程中,二維人會看到壹個圓出現,變大,變小,最後消失。以此類推,我們可以想象壹個四維球體穿過三維空間的場景:我們也會看到壹個三維球體出現,變大,變小,消失。
顯然,低維空間是高維空間的投影,或者說是橫截面。而我們人類很可能就是四維空間在三維空間的全息投影。
在談到四維空間的概念時,中科院國家天文臺研究員冉立博士認為,當我們說“看”的時候,其實並不嚴謹。我們的世界膜(理論物理學家稱我們的三維空間加壹維時間為世界膜,嵌在壹個更高維的超體體塊中)中的核力、弱力和電磁力無法離開三維空間進入更高維。在三維空間中,當我們用壹束光(電磁波)照射壹個物體時,我們可以通過反射的電磁波看到這個物體。但是四維空間中的壹個物體既不能反射電磁波,也不能發射電磁波,所以我們根本看不到。唯壹被認為能夠與四維(或更高維)空間中的物體相互作用的是引力。
當四維物體穿過我們的三維世界時,我們只能通過它的引力效應來感知。在電影《星際穿越》中,美國國家航空航天局團隊成員註意到了各種引力異常,這是高維度文明在幫助地球人的過程中產生的引力效應。
例如,在我們的三維世界中,重力與距離的平方成反比。距離太陽兩倍於地球的行星感受到的只有地球引力的1/4。但是,如果我們的空間中存在第四個直維度,引力場的強度會隨著立方距離的增大而減小,無論是木星還是土星都無法借助太陽的引力逃離太陽系。但科學家仍然認為四維(或更高維)空間確實存在,只是在微觀尺度上卷曲,可以避免引力場發散。
二、四維空間在哪裏?
物理學家斯蒂芬·霍金(Stephen W. Hawking)曾在劍橋大學發表關於萬物理論的演講時問道。如果我們三維世界之外的所有額外維度真的存在,為什麽我們意識不到它們?為什麽我們只看到三維空間?
對此的解釋是,所有四維(或更高維)都在壹個非常小的空間內彎曲,其尺度大約只有100萬億億分之壹英寸。這樣的尺度太小,我們探測不到。我們看到的只是三維空間。根據宇宙學原理,宇宙的三維空間是各向同性的,在大尺度上幾乎是平坦的。這就像橘子的皮:仔細看,整個皮都是彎的,皺的;但是,從遠處看,妳看不到那些凸起的結構,非常光滑。空間也是如此,在微小的尺度上是四維(或更高)的,高度彎曲。但是在更大的尺度上,我們看不到彎曲,或者說看不到額外的維度。
四維和更高維的空間可以用數學理論來構建。在量子力學中,空間是多維的,N維是兩個或兩個以上的N-1維物體垂直形成的空間。所以我們可以說,四維空間只能存在於今天最先進的弦理論的數學方程中。弦理論預言了更多維度模式的存在,據說至少有11維度。
三、四維超體——克萊恩瓶
說到四維空間,就不得不提德國數學家費利克斯·克萊因,他曾經在理論上構想出壹種特殊的四維物體,叫做克萊因瓶。這是拓撲學研究的典型空間之壹,是四維空間中可以真實表達的曲面。這個像球體壹樣的封閉空間,沒有“邊”,只有壹個“面”。它的橫截面是壹個莫比烏斯帶。如果兩個莫比烏斯帶在四維空間中只沿著它們的邊緣結合,就可以得到壹個克萊因瓶。
根據拓撲學理論,莫比烏斯帶可以嵌入我們的三維空間,而克萊因瓶只能嵌入四維(或更高維)空間。根據維基百科,數學家聲稱已經解決了克萊因瓶表面的數學表達式。
理論物理學家認為克萊因瓶不可能在我們的三維空間中制造出來。它是壹個連續的曲面,沒有“邊界”,沒有“內部”,沒有“外部”,只有壹個“表面”,被稱為永遠裝不上水的瓶子。
因為四維空間無法進入我們的三維空間,所以任何可以畫出來或者做出來的克萊因瓶,都是它的四維空間在三維空間的投影。換句話說,四維克萊因瓶不可能存在於三維空間。
4.為什麽四維空間小而卷曲?
上面的討論引出了另壹個問題。為什麽四維(或更高維)空間要卷曲成小球,而不是所有維度?霍金認為極早期宇宙中的所有維度都應該是高度彎曲的,那麽為什麽三維空間變平了,而其他維度卻保持緊密卷曲呢?
到目前為止,科學還沒有答案,或者說壹個可能的答案是擬人化原理。要想發展出像人類壹樣的復雜生命,二維空間是不夠的,而大於三維空間的空間使星系變得不穩定,面臨解體。所以,至少我們所知的生命顯然只能存在於壹個穩定的時空區域,即有三維空間加壹維時間,它們都不會因為卷曲而變得太小。
弦理論確實可以推導並允許我們區域的存在。宇宙中很可能還有其他的區域,它們的維度都蜷縮得非常小,但這樣的區域不會有智慧生命。
雖然無法證明存在四維(或更高維)空間的猜想是準確的,但很多科學理論都是從猜想開始的。
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如何證明四維空間的存在是壹個很有意思的問題,因為這是壹個宗教、哲學、科學的問題。
其實四維空間並不難證明。很多人總想用科學來證明四維空間的存在,但總是很難證明。為什麽?因為他們忽視了人們的積極性。到目前為止,世界上對四維和多維空間最清晰的解釋不是科學,而是佛教的論證。許多物理學家、量子學家和其他科學家不得不承認這壹點,並就這壹問題撰寫了壹些專著。
比如壹個人肚子疼,但是醫生和醫療設備都找不到病因。這個人肚子疼是真的是假的?不,因為痛苦已經被證明了!所以不需要用所謂的數學和物理來證明四維空間的存在,而是通過自我論證。幾乎所有人都證明了四維空間的存在,只是人們沒有意識到。我給妳舉個例子。
幾乎每個人在夢裏都見過不同的人或事,經歷過不同的事件,但人在夢裏是睡著的,眼睛是閉著的。為什麽他們還能在夢裏看到東西?實際上,夢裏的眼睛是四維甚至多維的具體表現,是心靈意識的反映。
很多人會說,做夢是虛幻的,是假的。其實人及其壹切活動都是能量的生與死的過程,是多變的,是虛假的。如果從高維宇宙的角度來看人類壹個世紀的生死過程,恐怕連壹瞬間都算不上。其實人的活動和夢在本質上沒有什麽區別,夢也是壹個能量變異的過程。所以佛家說“萬物如夢泡,如露如電,所以要這麽看。”
夢中的眼睛是人在睡眠中不自覺地擺脫眼、耳、鼻、舌的束縛,出現壹種類似冥想的狀態,使心靈進入不同維度的體驗。
另外,很多人把時間當成壹個維度,這是不正確的。在高維度中,沒有過去、現在和未來。最根本的維度是擺脫壹切幻想,連維度本身都不存在,更別說時間了。
先給出答案:
空間維度,屬於數學範疇,是壹個度量和統計術語,與科學發現無關。四維空間只是壹個幾何模型,與真實存在無關。
本文是作者關於空間的主要觀點,重點在於嚴格區分“物理空間思維”和“數學空間思維”
空間的多語境認知自古以來,人類就積累了遞進式的認知,至今仍需進壹步的科學研究。
根據現代物理科學的研究成果,作者認為空間是真實存在的最簡單也是最復雜的物質範疇。
空間是壹個多語境的概念,主要表現為四種類型的空間:①器官的感性空間,②哲學的辯證空間,③物理的實在空間,④數學的抽象空間。
人體器官的知覺空間之所以命名,是因為很多人通過視覺和直覺推理,認為實體之間的區域是絕對空無任何物質的,即知覺空間≈空無壹物的空間。
英文空格:【sp】是根spect的縮寫,spic(見/見);[ace]是後綴ate(州/州)的變體。從字面上看,≈空間是外部世界的無限延伸。
就生存的簡單要求而言,感性空間≈空無壹物的觀點是有壹定可取之處的。
比如說空心鐵球的真空質量≡0,這是無可非議的,沒必要“書生氣”地斤斤計較。
根據筆者的經驗,哲學領域中的辯證空間有三個典型的哲學空間,即道家的“萬物皆空”論、佛家的“色即是空”論和馬哲的“空間物質”論。
道家“四空”的空間哲學
壹般來說,千世之運來自空,所謂“聚而成器”;歸空,所謂“散則通氣”。這是科學研究的空間。
筆者認為“聚則成器,散則成氣”的空間觀是大智慧,是非常珍貴的宇宙觀,與現代物理實驗的科學解釋不謀而合。
佛教“色即是空”的空間哲學
空色是各種有形的物質,看得見摸得著的有形的東西。
色空之空是壹種模糊的無形物質,是看不見摸不著的東西。
佛教弟子有所謂的“骷髏技能”,說的是在修習禪定時,可以用意念意識到骷髏是透明的。
心靈真的有那麽強大嗎?根據物理學,只有超高頻電磁波可以隨意穿過骨頭,仿佛骨頭內部空間是空的。
想法能輻射高頻波?也許不排除骷髏龔走火入魔的錯覺?讀者怎麽看?
但是,根據電子湮滅反應,佛教弟子的空天哲學至少是“錯誤的”吧?
馬哲“空間物質論”的空間哲學
馬克思主義唯物辯證法認為,世界是存在的,存在是物質的,物質是運動的。既然空間也存在,那麽空間既是物質的,也是運動的。
馬哲的“空間物質論”可以用物質不滅和能量守恒定律來見證,其嚴密的邏輯是毋庸置疑的。
有些人可能不同意。作者提醒我:
既然承認空間存在,就不得不承認空間不是虛無;既然承認空間不是虛無,就不得不承認空間是物質;既然承認空間是物質的,就不得不承認空間是運動的。物質和虛無壹定是其中之壹。
因此,馬哲的“空間物質理論”是無懈可擊的,至少在形式邏輯上是如此。
物理科學的實空間物理科學的實空間,簡稱物理空間,是壹個沒有亞原子存在的真空場介質空間,即場空間。
記住兩個詞:物理空間≡理性空間≡現實空間。數學空間、理想空間和抽象空間。
下面分五個方面來講解真實空間的表達。
1.關於麥克斯韋方程
真空不是空的,真空場能量為零,這早已成為科學界的知識。真空是場介質,用介電常數(ε?),磁導率(μ?),位移電流(j)。
根據光速的定義:c=1/√(ε?μ?),光速是真空場的固有特性,是壹種處處以光速振蕩的介質,而不是20世紀以前絕對靜止的以太。
2.關於卡西莫爾效應。
早在1947年,卡西米爾效應就已經被證實,真空場可以激發電磁波,卡西米爾效應力(F=-Cπ/R?),證明:實空間≠幾何空間!
作者認為,卡西米爾力的本質是電子自旋以光速擾動場空間激發的引力波,與電子自旋強作用的向心力相反的反作用力,即:
F(強)=-F(卡西莫),
m?c?/R=-Cπ/R?...(1)
其中r是真空腔的厚度或真空場半徑,c是卡西米爾效應系數,它取決於電子自旋運動激發的引力波的場半徑。
即:C=(m?c?/π)R=2.6×10?稀有...(2)
3.關於正負電子湮滅反應的本質
根據正負電子的湮滅反應,電子發生器釋放光電子(e?或者e↓)置於彼此相對的強磁場中,壹個電子顛倒南北兩極,成為正電子(e?或者e寫),當正負電子加速到光速時,試著去碰撞它們,湮滅效應就可以發生了:
e↓+e↑+2×?m?c?⊙γ↓+γ↑+ 2hc/λ?...(3)
湮滅的本質是電子迅速膨脹成場量子(引力子和光量子),真實物質和場介質之間發生突變,其中:
電子質量?場的量子質量,電子的自旋勢能?引力子自旋勢能,電子動能?光子輻射動能。
顯然,電子的湮滅反應印證了“聚則成器,散則成氣”和“色即是空”的哲學空間
4.原子光譜的超精細結構
原子光譜超精細結構分布實驗表明,物質中所含原子的外層空間充滿了不同頻率的電磁波,沒有縫隙。
就豐滿度而言,存放電磁波或場介質的“容器空間”可視為“場介質空間”。
5.關於實體的內部空間和外部空間
壹般來說,我們認為宏觀的物體是由原子組成的,原子是由微觀的核外電子和原子核組成的,原子核是由誇克環和μ子核組成的。
根據獨立物質的概念,原子核的誇克環可以是核內的壹個電子,繆爾核可以是密度最高的場介質。因為誇克、膠子、μ子都只是理論模型,不能獨立存在。
正電子只是壹個顛倒了北極和南極的電子。按照這個邏輯,物質的終極成分只有電子和場介質。
之前的實驗表明,電子是不可分的,電子的內部空間是唯壹的高密度場介質,即“色也空”。
不難理解,原子核內空間是密度最高的場,電子內空間是密度次高的場,原子內空間是高密度場,分子內空間是密度更高的場。
不難理解,場密度(ρ=m/4.2R?)和場半徑r與立方成反比。
每個原子都有自己獨立的內部空間和外部空間。原子由於其高速電子軌道和抗簡並性,可以是壹個封閉的真空腔。
原子的外層空間是充滿原子光譜超精細結構的“光子雲托管”,原子有自己的引力場空間。
物理空間的基本性質從以上基本事實,我們可以總結出物理空間的九個基本性質作為空間觀的基本原則。
房產1:場空間隱私
實體有自己的內部空間和外部空間。例如,電子有壹個以光速旋轉的內部空間和壹個引力場的外部空間。
同樣,質子也有自己的內部空間和外部空間;地球、月球和太陽都有自己的內部空間和外部空間。
屬性2:場空間的公共性
壹個任意的空間區域有每個實體的私有空間,在這個區域形成了壹個重疊的空間。
比如原子的內部空間就是電子場和質子場的疊加空間。氧的分子內空間是氧原子的疊加空間。
地球輻射帶的空間是月球體育場、火星場、太陽場和北極星場的重疊空間。
屬性3:場地空間的跟進
地球大氣層的空間隨著地球自轉而自轉,不可能只有空氣分子隨之運動。
封閉車廂的內部空間,隨著列車向前行駛,壹起轉彎,不可能只有空氣分子隨之運動。
不可能封閉原子的內部空間,因為原子壹起滾動振蕩,只有電子原子核跟著。
封閉原子核的內部空間與原子核壹起滾動振動,不可能只有原子核內的電子與之壹起運動。
核外電子隨子彈運動,子彈激發的電磁波幹擾疊加空間的頻率取決於電子的跟隨速度:
?mv?=(m/m?)hc/λ...(4),λ=2hc/m?v?...(5)
特性4:場空間的能量吸收
根據引力勢能Ep=GMm/R和熵增原理,高能態向低能態發散。場半徑R越大,場勢能越小,真空度越大,因此吸收的能量越多。例如:
電子繞原子核高速運動的動能處於高能狀態,在擾動空間的同時被真空場吸收為輻射動能。
離心泵高速旋轉,內部形成局部真空區,導管高能態的水被低能態真空區吸引。
直升機機翼旋轉,機翼上方的局部真空區處於低能狀態,吸引高能飛機。
屬性5:場空間的載體屬性
電子以光速自旋,擾動場空間,輻射引力波,可以理解為攜帶引力波的場空間。
電子圍繞原子核高速運動,擾動場空間,輻射電磁波,可以理解為攜帶電磁波的場空間。
弦以V的速度振動,實際上是電子跟隨V擾動場空間激發電磁波聲子,聲子和激子依次相互激發。場空間承載超低頻電磁波(光分支)和機械波(聲分支)。
有人說電子在原子核外的跳躍運動會釋放光子或電磁波,但不能說明自由電子也會激發電磁波。
屬性6:場空間的力傳遞
把光旅行的時空方程:r=ct...(6)
代入萬有引力方程:F=GMm/r?...(7)
含時引力方程:F=GMm/c?t?...(8)
顯然,物體引力場的傳播等於場半徑的平方(r?)與磁場浪湧時間的平方成反比(t?)成反比。
有人說萬有引力定律有距離效應,這不是很解。想壹想:距離的平方反比效應是什麽?
其實任何力、能量、波的傳播方式都必須以場空間為傳播載體,否則就是距離論。
性質7:場空間的熵增加
根據引力方程(7),天體的引力和場空間輻射的引力波,由於與場空間半徑的平方成反比的效應,如果不考慮其他天體的幹擾,它們的場密度急劇下降,引力波的頻率急劇下降,場空間的溫度急劇下降,稱為場空間的熵增或“降頻紅移”。
屬性8:場空間的熵減少
引力方程(7)的逆分析表明,離天體越近,與外界疊加的場密度和引力波頻率就會越高,稱為場空間的熵減或“上頻藍移”。
屬性9:字段空間的有效性
理論上,天體或粒子的引力場半徑看似無限延伸,其實不然。主要有兩點:
第壹,獨立天體或粒子的場空間不能延伸到絕對零度,否則場介質將是絕對靜止的。
其次,場空間永遠是多個天體或粒子的疊加空間。當壹個天體或粒子的場半徑延伸得足夠遠時,其場強就不如其他天體或粒子。
“地球和太陽”兩體問題中有五個拉格朗日平衡點(L1~L5)和希爾球區域。如果球場半徑遠遠超過平衡點,地球引力場可以忽略。
數學領域的抽象空間數學空間,也叫幾何空間,是以坐標系空間為基礎的。坐標的原點是測量基準的零點,坐標軸的數量是尺寸。
常見的低維空間:壹維空間≡線性坐標系,二維空間≡平面坐標系,三維空間≡立體坐標系,
常見的高維空間:四維空間≡旋轉三維坐標系,五維空間≡拉伸扭曲三維坐標系。
為什麽“幾何空間≡抽象空間≠真實空間”?
讓我們考慮壹下。現實世界真的存在嗎——沒有體積的幾何零,沒有厚度的幾何直線,沒有厚度的幾何平面,無形的幾何球體?
費米子很小,類星體很遠...所以它們可以近似或者抽象為粒子,但是它們還是有體積的。
電磁波和電力線都很細...所以它們可以近似或抽象為直線,但它們仍然有橫截面積。
太陽像壹個球體,電子也像球體...所以可以近似或抽象為球體,但還是有南北極的蘋果。