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鲜血与金属之荣耀 曼帅的博客

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因为是历史爱好者一个,所以对周围的变化显得漠不关心(所以想法略有僵硬),因为喜爱战争机械,所以时常幻想着第n次世界大战(这···这难道就是传说中的中二么?)。因为信奉存在主义,所以一直坚信存在即有理(现在正纠结于高中历史书越来越像政治这一问题)。因为曾被唯心主义毒害,所以常表现为一种近乎狂热的自信(我就是真理!),其实内里是个十分谦逊随和的家伙。

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【引用】多维时空观  

2011-07-04 12:21:58|  分类: 本国文献 |  标签: |举报 |字号 订阅

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1.多维时空理论的提出是为了解决量子力学与相对论理论在三维空间内的矛盾:

【引用】多维时空观 - 曼帅 - 鲜血与金属之荣耀曼帅的博客

    四种基本作用力的不同还导致了现代物理学两大支柱——相对论和量子理论——根深蒂固的矛盾。
    爱因斯坦的广义相对论是关于引力的理论。引力源于物体质量的相互吸引,物体的质量越大,引力越大。但为什么物体的质量会产生引力呢?引力为什么很微弱却又能在宏观范围内起作用呢?比如说,两个人、两块大石头之间的引力几乎就是零,只有像太阳、地球、月亮这样宇宙中的星体,才有明显的引力作用。
    爱因斯坦把这个疑惑给解开了,他给出了一个出人意料却又合乎情理的解答:空间本身是有形状的,当没有任何物质或能量存在时,空间应该是平直光滑的,当一个大质量物体进入空间后,平直的空间就发生了弯曲凹陷,这就像一条拉得很平很直的床单上,当放进一个保龄球时,床单就凹陷下去,所谓引力就是因为这样的空间弯曲而导致的。地球在绕着太阳的轨道上运行,是因为地球滚入了太阳周边弯曲空间的一道“沟谷”,这就是我们通常所说的太阳对地球的引力作用。两个人、两块大石头之间的引力几乎不存在的原因就是,这么小的质量使空间的弯曲几乎为零。因此,普通物体之间的引力作用是可以忽略不计的。
    在这里,引力变成了漂亮的几何图景,引力本身并不存在,它只是空间的几何形变所引起的明显结果。引力的本质就这样被广义相对论圆满地解释了。
    但空间的几何形变却解释不了其它三种力,电磁力、强力和弱力似乎都无法通过空间的褶皱来实现。爱因斯坦曾设想,所有的物质都是空间扭结和振动而形成,换句话说,我们看到的周围的一切,从树和云到天上的星星,都可能是一个幻觉,是某种形式的空间褶皱。若这种思想是正确的,另外三种力也必定与引力一样,是空间的几何形变所引起的必然结果,这样,四种力就统一到空间弯曲的几何学中了,空间弯曲的不同方式会造就不同的力。然而,在微观世界里,空间根本就不是平滑的,而是有无数的粒子在剧烈且永不停息地喧嚣,广义相对论的核心原理——光滑的空间几何概念,在这里被破坏殆尽。
    对另外三种力的解释需要量子理论来完成。量子理论研究微观世界里基本粒子的行为,在这个理论体系中,宇宙中所有的物质最终由数百种不同的基本粒子组成,由于质量小到几近于零,这些粒子的运动轨迹变化莫测,毫无规律可循。在这里,力是由粒子的交换而来的,电磁力是由光子交换而来,弱力是由弱规范玻色子交换而来,强力是由胶子交换而来。例如,两个带电粒子间的相互作用实际上是光子在两个粒子间往来“出没”的结果,两个带电粒子通过交换小小的光子而相互影响,这个过程有点儿像两个溜冰的人在传球,通过传球,两个人的运动状态都在受到影响。其它两种力的相互作用也是如此。
    但是,因空间弯曲所导致的引力是无法通过粒子交换而来的,而且,在微观世界里,粒子的自身质量不仅小到几乎没有,还总是在杂乱无章地运动,它们之间的引力从何谈起?因此,量子理论无法涵盖引力。
    广义相对论与量子理论不能统一,成为现代物理学最核心的灾难。人们很难相信,在宇宙的微观层面和宏观层面,居然不是一个统一连贯的整体,我们对宇宙最深处的认识居然是由两个分裂的理论拼接起来的。为了能让两个理论协调起来,物理学家做过大量的尝试,他们以这样那样的方法,要么修正广义相对论,要么修正量子理论。虽然一次次的努力都胆识惊人,但结果却一个跟着一个失败。

2.“维”的概念。

    维是连续的。点是零维的,直线是一维的,平面是二维的,长方体是三维的。曲线的维度介于1和2之间(是小数),曲面的维度介于2和3之间(是小数)。

3.我们是三维生物,我们的生活经验让我们对三维以下的事物理解较容易,理解三维以上的空间比较困难。

    让我们先假设一些生活在二维空间的扁片人,他们只有平面概念。假如要将一个二维扁片人关起来,只消用线在他四周画一个圈即可,这样一来,在二维空间的范围内,他无论如何也走不出这个圈。 
    现在我们这些生活在三维空间的人对其进行“干涉”。我们只需从第三个方向(即从表示高度的那跟轴的方向),将二维人从圈中取出,再放回二维空间的其他地方即可。 
     在我们看来,这是一件简单的事,但在二维扁片人的眼里,却无疑是不可思议的:一个人明明被关在圈内,怎么会忽然消失不见,然后就出现在另一个地方! 
    对我们这些三维人而言,四维空间的情况就与上述解释十分类似。如果我们能克服四维空间,那么,在瞬间跨越三维空间的距离也不是不可能。 
   下面再做一个试验:将一些橡皮绳按经纬线的样式编成一张网,将之张平,我们可以将之近似看做是二维平面,然后将一个小球放在网上,橡皮网在小球的重力作用下凹陷,这就形成了三维空间。 
    但从空间的内部去观察这个空间,却往往是看不清的,那些二维扁片人并未必意识到他们所生活的空间已经发生了扭曲。当他们从平面来到这个凹陷处,并且这个凹陷已深到了一定程度、或扭曲到一定程度时,二维扁片人也可能自由来往于三维空间。 
    这个引起空间扭曲的小球在我们三维世界的例子就是黑洞。

4.我们见到的所有的东西都是三维的,准确地说,我们见到的都是东西在三维世界的投影。

    对于三维投影,我们不好理解。可以降一维来类比,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。

5.相对论与量子理论的统一

    相对论和量子理论的遭遇与上述这种情况非常相似,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。

6.大爆炸的一种解释   

    宇宙起源于一次大爆炸(大爆炸理论认为,宇宙诞生之前,没有时间,空间,物质,与能量,在大约150亿前,在虚无中,一个体积无限小的基点爆炸,随着基点物质的抛出,形成了我们的宇宙),但大爆炸开始所形成的宇宙并非是三维的宇宙,而是一维。随着爆炸的基点物质的不断抛出物质不断积累,在一维空间形成了类似我们世界中的“黑洞”的物质,由于黑洞的引力越来越大,将一维的空间扭曲,形成了一个“瘤”(二维),直到这个“瘤”破裂,于是形成了二维世界起源的大爆炸,物质从而被抛到了二维世界。同理,二维世界的超大黑洞的爆炸,形成了我们现在的三维世界。也就是说,世界是一个维一个维积累起来的,而一个 “维”便是一个世界。在前一个维中的黑洞,便是下一个维中的白洞(斥力很大,连光都不能射入,所以任何物质都不能进入)。而基点直到现在也在向外不断的抛出物质,我们的黑洞虽然在不断的吸走我们的物质,但二维的世界会为我们补充。
    而关于前面所提到的物质,在不同维度的结构是不同的。所有维的物质都是由零维的“基点”抛出来的,抛出来的物质都是零维的粒子(我暂且起名为 ‘零维子’),这种零维子顾名思义,就是质点。在一维空间中,因为一维空间是一条直线,所以零维子在一维的空间中只能形成线状的“夸克”,由线状的“夸克”形成线状的质子,中子,原子,物质。而这些一维的物质被吸入黑洞后便被拆成了“零维子”在二维中又组成了二维的“夸克”,以此类推到无限维。
    但如何超越维界(比如我们要去四维空间即五维时空)?我想只有通过黑洞,因为黑洞是连接不同维度的通道,我们由三维的黑洞进入(如果我们能制造出连黑洞的引力都不能撕碎的飞船)再由四维的白洞抛出,但就算我们到了四维空间也不能存在,因为就像我们无法想像二维的物质在我们三维空间以什么样的形式存在一样(一张纸?)。我们自身的粒子会从新组合成四维的物质。

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