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关于四维的部分理论构想

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四维相对论


关于四维的部分理论构想

 

四维是物理学的一个经典篇目,在以下的研究中,我把四维分别当作空间和时空来进行思考。之所以把这两个部分分开来讲,是因为第四维作为时间和空间维,虽然有相同和相关的点,但这代表了两个不同的结论方向。在四维空间论中,进入四维后,我们可以在不打开容器的前提下进入容器;而在四维时间论中,进入四维后,我们可以穿越时间。为表述方便,我在本篇中将第一维方向表述为x轴“前、后”,第二维方向表述为y轴“左、右”,第三维方向表述为z轴“上、下”,第四维方向表述为n轴“四维正、四维负”,将生命个体称为“人”。

 

第一部分 四维空间论:从莫比乌斯环到克莱因瓶

 

一维的密闭空间,实质上是一条两端封闭的线。这样的线可以被从二维中的“左右”方向进入。从一维视角看,这个空间仍是封闭的,从“左右”这个方向进入这段空间的一个质点,会被一维人看做是突然凭空出现的。

二维的密闭空间,实质上是封闭的平面图形。在平面上的二维人会认为它是封闭的,而三维人可以从“上下”这个方向看到其内部。

不仅是观测,高维对低维的观测和进入都不是传统意义上的“穿过”,就像我们的手可以轻易穿过一个圆环一样,是以超过容器维度的另一个方向进入。

莫比乌斯环是一条半扭转的封闭带状环,因为其半扭转,所以其内外是相通的。在其二维平面内,不可能观测到这种扭曲,但是从莫比乌斯环的外侧进入到内侧,就不再是传统意义上的“进入”或“穿过”,而是其“内”与“外”根本就在同一平面内。

克莱因瓶则是一个经过“扭转”的封闭容器。从其表面任何一点出发,不需越过其内外交界边缘,即可到达其表面任意一点。从某种程度上来讲,其“内”与“外”同样是在同一平面内的,也就根本不存在这个所谓的交界边缘。

根据现有的观测数据和大量猜想,四维空间只应该是呈泡状分布的,即小规模的四维空间以空泡的形态分布在均匀的三维空间中。由于低维观察高维的限制,三维中的任何物质、电磁波、引力波等物质能量形式在进入四维空间之后(如果真的可以进入),将不再向四维空泡外的三维空间中的三维观测者发出任何可观测信息,我们很有可能只能通过光线或其它介质的折射看到四维空间的边缘。

又有,因为四维空间中的物质能量形式均不可被观测,在一定程度上,主观上我们会把它与物质的量子态进行联系(均是在某种情况或多数情况下不可被观测)。

 

第二部分 四维空间论:从超立方体开始的四维空间

 

对于任意维度数的空间,“方体”无疑是最基础的图形,二维的正方形、三维的正方体,还有四维的“超立方体”。在后面的部分,我会展示出我对超立方体的理解。

 

第三部分 四维时间论:第四个维度是时间

 

我们在三维的空间中假设出一条与z轴平行的直线,那么可以看到,它在每一个由x轴和y轴构成的平面(我们称为x-y平面)内的投影,都只有一个点。

如果我们在此时将z轴视为时间轴,x-y为一个二维世界,那么这是由两个空间维和一个时间维构成的世界。我们可以看到,它与每一个时间点相对应的x-y世界相交于一点,在每一个x-y世界中,这个点都是在同一位置的。换言之,它的位置没有随时间的变化(其实就是z轴方向上的推进)而变化,那么,这个点在这个x-y世界是静止的。

我们在另一个三维空间中引入一条直线b,使其与y轴垂直或异面垂直,且不与x、z轴平行,即此线在某一x-z平面内。此时再将z轴看做时间轴,那么,在每一个时间点相对应的x-y世界中,这条直线与其相交的点不是在同一位置,而是沿x轴方向沿一条直线a分布。根据机械运动的定义,此点相对于参考系的位置,随时间的变化,就是这一点的运动。

我们将这个点称为点A,以上的过程可以如下表述:

 

在二维的x-y平面内,点A沿直线a方向移动,将其每一时间点的所在位置与该时间点叠加,得到直线b。

 

我们将直线b称为点a的“轨迹线”。

整个过程近似于频闪照片的生成。这条“轨迹线”其实就是每时间点物体所在位置的连线。根据点运动状态的不同,我们可以在空间中得到不同的痕迹线,如:

在x-y平面内做匀速直线运动的,其“痕迹线”是一条直线。

在x-y平面内做匀加速直线运动的,其“痕迹线”是一条抛物线。

在x-y平面内做匀速圆周运动的,其“痕迹线”是一条导程方向沿z轴方向的圆柱螺旋线。

物体在平面内的速度越大,它的“痕迹线”就会越趋近于与x-y平面平行。当其速度达到“无穷大”,这个物体就同时存在于这一x-y世界内的多个位置。所以,任何实体的速度都不能达到“无穷大”。考虑到其它的一些限制,即为相对论理论中的“任何有质量的物体都无法达到光速”。

我们将上述的思考方式代入到x-y-z三维世界和时间轴n轴的体系中,就可以理解四维时间论的概念了。在四维时间论中,我同意“高维是低维叠加”这一观点。这一观点在后面会详细展开。三维的每一个“切面”都是一“片”二维世界,我们的第三空间维在二维生物眼里只能是时间维(因为他们根本理解不了除了前后左右之外的其它方向)而非空间维。换言之,二维世界的时间维在三维生物眼中是一个空间维。

那么四维的每一个“切面”都是一个完整的三维世界,我们的世界由三个空间维和一个时间维构成,就是概念上的“四维时空”。

 

第四部分 四维时空论:四维,与相对论

 

我们要知道的是,在狭义相对论之前,时间和空间是完全没有关系的。

我在上一部分中表述的“我们的世界由三个空间维和一个时间维构成”,闵可夫斯基也曾提出过,并于1907年建立了完成的数学模型:闵可夫斯基时空。他在进行时间与空间关系的思考时第一次把时间作为空间的另一维进行处理。

那么四维时空应该如何理解?首先,确定一个三维空间中的点,如我家楼下。然后确定一个时间点,如今天早上六点。那么我们可以确定,今天早上六点,我在我家楼下。这时,我们就确定了一个四维时空中的点。

在此基础上,我们将时间与空间联系到一起,最需要的是单位,一个既能表示空间“长度”的单位,又能表示时间“长度”的单位。空间的尺度是距离,距离的单位是米、千米(等);时间的尺度是“时间间隔”,时间间隔的单位是秒、分钟(等)。时间和空间的概念都是由运动产生的,运动既是两者之间的桥梁,又是两者的本质源头。运动的尺度是速度,速度的单位是“米每秒”等。

时间是恒定的、单向的、“速度大”的。光速具有同样的性质。

当速度达到光速时,时间静止。

根据时间延缓效应的公式Δt=ΔT/√[1-(v/c)²],我们可以得出,相对于某一“绝对”惯性系(这里的绝对也是相对的)速度越快的惯性系,其时间的速度越慢。当其速度达到光速时,“绝对”系的时间在该系的观测者观测下是静止的。

所以,我们将这个结论代入到第三部分中的四轴坐标系(现在可以明确认为这是一个将时间等效为空间的参考系)中,在前三维空间中相对于坐标系静止的物体,实际上在沿第四维以光速运动。

 

第五部分 四维空间论:回到超立方体

 

第二部分中我主要叙述了超立方体的构建对于四维研究的重要意义。我认为“方体”是各维度图形中的基础,一是因为它的全部“边”都与坐标轴平行。这里的“方体”和“棱”都打出了引号,是因为我认为将各个维度中的这种图形率先称为“某形”或“某体”是不严谨的。但既然目前我的思考范围没有超过四维,我们就暂且用已有的名称:正方形、正方体,和“超立方体”来称呼它们。

正方形的定义如下:有一个角是直角且有一组临边相等的平行四边形是正方形。

正方体的定义如下:由六个相同大小的正方形围成的立体图形,又称正六面体。

超正方体的定义如下:在几何学中四维方体是立方体的四维类比,四维方体之于立方体,就如立方体之于正方形。

这是通过几何学对正方形、正方体、超立方体进行定义。

那么如果我们将这些“方体”重新进行定义,可以更简单地得出超立方体甚至多维方体的概念。以下是我的定义过程

 

正方形:建立二维笛卡尔坐标系,定义坐标原点为点O,定义第一轴为x轴,第二轴为y轴,定义单位长度为1。定义在x轴正半轴上与坐标原点相距1单位长度的点为点A,定义在y轴正半轴上与坐标原点相距1单位长度的点为点B。将点A沿y轴正半轴方向移动1单位长度得到点C,将点B沿x轴正半轴方向移动1单位长度得到点D。易得点C与点D重合,称为点C。图形OABC即为边长为1单位长度的正方形。

正方体:沿用以上定义,引入第三轴,定义第三轴为z轴,将正方形OABC沿z轴正方向移动1单位长度得到正方形DEFG。易得点D在z轴上与坐标原点相距1单位长度。图形OABCDEFG即为棱长为1单位长度的正方体。

超立方体:沿用以上定义,引入第四轴,定义第四轴为n轴,将正方体OABCDEFG沿n轴正方向移动1单位长度得到正方体HIJKLMNP。易得点H在n轴上与坐标原点相距1单位长度。图形OABCDEFGHIJKLMNP即为“边”长为1的超立方体。

 

 

第六部分 四维时间论:光锥与命运

延续第三部分的理论,我们将第四维视为时间维。我们得到的“轨迹线”实质上是同一物体在不同时间的状态。

光锥的概念最早也是闵可夫斯基提出的。其基于一个既定事实:事件发生后,事件的影响或象征事件发生的信息,都会随着时间的推移向周围扩散,根据信息载体种类的不同和介质种类的不同,信息传递的速度有快有慢,但不会超过光速。而且随着时间的推移,信息传递的范围越来越大,作用越来越弱。

我们可以想象,这种“扩散”看起来就像一个球在不断膨胀。但是我们无法把它具象化。运用我们已经使用过的思想,我们来试图理解二维中的信息扩散:一个不断放大的圆,将时间轴画出来,就是一个圆锥体。“光锥”的模型很好地解释了这样一个概念:事件对于其它部分的影响范围随时间的推移而增大。

以下是我自己对于未来光锥的定义

定义时间轴为z轴,另两轴为空间轴。定义第一空间轴为x轴,第二空间轴为y轴,设信息传递的最大速度为v,z轴基本单位为“基本时间单位”,x,y轴基本单位为“基本空间单位”,则有在坐标原点发生的事件,在经过t基本时间单位后,其信息扩散范围为半径vt基本空间单位的圆形空间。将每一基本时间单位和与其对应的信息扩散范围相组合,即为光锥。

我们沿时间轴倒推,可以认为,过去发生的事件所产生的信息,都在时间原点到达了空间坐标原点。信息的传递速度不变,我们在空间原点能得到的事件信息,距离越远,其时间必定越久远,这就形成了向过去的一个光锥。

以下是我对过去光锥的定义

将本坐标系定义为“原坐标系”。在时间轴负半轴方向任取一点,以此点为坐标原点建立坐标系,判定“原坐标系”的坐标原点是否在此坐标系的光锥中,如果是,将此点纳入集合A,否则将此点纳入集合B。对时间轴负半轴方向内的所有点进行判定,易得集合A中的点均位于某一锥体中,则此锥体为“原坐标系”坐标原点的过去光锥。

由于时间的单向性和信息传递速度限制,易得此下内容:

所有事件都受且仅受其“过去光锥”内事件的影响,并只影响其“未来光锥”内的事件。由此可知,如果某人可以得知某一时刻某封闭系统内所有事件的状态,那么他就可以得到未来此系统内所有事件的全部状态信息。这句话其实是拉普拉斯决定论的简要体现,此“人”即为我们熟知的“拉普拉斯妖”。


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