空间是哪些给你们科普下数学学知识星光灿烂的夜间凝望着浩瀚的宇宙经常的想宇宙的尽头是哪些有没有和我们一样的智慧生物时间会不会倒流有没有可能时空转移这种问题经常让我绞尽脑筋也得不出任何推论。其实我不是化学学家但我还是喜欢想那些问题也因而喜欢数学学和爱因斯坦。先表达下爱情。哪些是空间空间我想和时间一样我们想下个定义是不可能的我们惟一能做的事是摸索空间有哪些性质。我们一般对空间有哪些概念首先是距离吧空间首先给我们的是距离感其次应当是方向感我们明白自己是处于前后左右上下六个方向中的最后应当是平直连续感空间直观上给我们印象是直的但是很难想像中间缺一块是哪些样子由于假如少了一块少的那块算是哪些东西好吧常人通过简单的剖析对空间也应当有以上的基本印象是有方向的通常人都可以看出有六个基本方向数学学上称作三维空间是有距离即厚度或则大小的并且大的赶超了我们的想像最后是直且连续的其实这儿面直是哪些意思也是无法解释的。这种性质2000多年前一个称作欧几里得的家伙就早已研究清楚了他通过提出几条公理创造了关于这个空间的第一个学说--欧几里德几何学强调我们生活在一个三维空间里这个空间可以用欧几里德几何学来描述。
这是很不容易的想想看如果你从小没受过教育每晚放牛你能在放牛的时侯靠瞧瞧天能够想出那么多东西好了在过了2000多年后让我们来瞧瞧现代人又多晓得了些哪些一、三维空间是真实的吗关于这个问题所有受过高等教育的人都晓得100年前一个称作爱因斯坦的家伙已经强调时间和空间是不可分割的物体既是在空间里也是在时间里我们生活在一个四维的时空里。但我不想讨论时间的问题由于那根本就是浪费时间不管讨论多久对时间我们还是一无所知的。继续说空间。三维空间是我们的直觉但这个直觉一定正确吗首先先确定几个概念线是一维的面是二维的体是三维的另外经过估算西班牙海岸线是1.42维的。一只鸟站在一根架在两座山之间的绳索上从很远的地方看过去鸟就在一条线上用一个座标就可以标注鸟的位置这个时侯我们说鸟是一维的但若果我们靠近鸟的时侯才会发觉绳索本身是有大小的是个圆锥体我们起码还得找个座标表明鸟在绳索的那个位置上这个时侯鸟就是二维的了。所以我们处于几维空间是和我们对空间的观测精确度有关的现代化学学家早已发觉我们所处的空间是个十维空间再加上一维的时间实际上是个十一维时空。十维空间里只有三个维得到了展开其余七个维被压制住了缩紧在一个很小的地方大概只有普郎克空间大小。
普郎克空间是个最小的空间概念不可能比普郎克空间更小了空间是不可以无限分割的到了普郎克空间这个程度因为量子不确定原理时空早已混淆在一起。事实上十维都还不一定是精确的假如我们的手段更精确的话空间可能就会有更多的维数。这么为何我们能观测到的是个三维空间呢关于这个数学学还不能给出个确切推论。目前能说的是在宇宙最开始产生的时侯各个维都是平等的在大爆燃的时侯有三个维得到了释放在大尺度上产生了我们如今的三维空间。至于为何是三个维而不是五个或则六个这又和宇宙的对称性有关但至于是究竟哪些关系还给不出确切推论。学校的时侯我们晓得宇宙有四种基本斥力引力电磁力强互相作用弱互相作用。在上个世纪七十年代电磁力强互相作用弱互相作用已被否认为是一种力只是因为宇宙从高能量坠入低能量状态时分离下来假如宇宙回到高能量状态例如宇宙大收缩这么这种力依然可以合并成一种力。即使引力和电磁力目前还未能统一上去但我们相信这只是能量不够的诱因。我们早已发觉引力和电磁力的区别是因为我们三维空间的性质造成的在高维空间里引力和电磁力也是统一的。可以如此说电磁力是宇宙的能量性质引力是宇宙的空间性质。所以大家看当能量增高时电磁力强互相作用弱互相作用统一了当空间维数增客场引力又和电磁力统一了物理学中物质的定义。
在宇宙的最初阶段是一个高能量高维空间的世界在经过大爆燃后能量增加了空间也只有三个方向得到了拓展产生了我们如今的世界。我们的世界是残缺和不完整的但却是个生机勃勃的世界。补充说明力就是能量每一种力都代表着几种基本粒子力的性质决定了粒子的性质而粒子又构成了物质。这么最开始的力又是从何而至呵呵不须要从那里来最开始的力就是一种空间结构性质而已。空间的本性2--距离的悖论与疯狂的空间小时侯我时常想的问题究竟哪些是长我们说宇宙很大这么大又究竟是哪些意思呢我们凭哪些说一个东西比另外一个长或则大仔细想一下你究竟是如何觉得的呢注意以下的思路是十分花费脑筋的有一定脑筋漏电危险性妇女和儿童勿入首先我们说长是一种比较行为。这么既然是比较就要求两个基本条件一是比较的方式二是比较的标准。由于在数学上长实际上就是距离那么就是要找一种检测距离的方式。换句话说要找到一种公正的检测介质并通过一种公正的检测方式我们能够得出一个距离的定义下来。事实上数学学上的距离定义就是速率除以时间以一定速率运动的物体在一定时间内运动过的轨迹就是距离要让这个定义有意义我们还要注意速率这个概念爱因斯坦早已告诉我们速率是个相对概念速率因参照系的不同而不同。
但同时爱因斯坦还告诉我们有一种东西的速率与参照系无关这就是光。只有用光来做检测介质我们能够在宇宙范围内有一个相同的距离概念物理学中物质的定义。光的速率是内禀的速率永远不会变化--相对论基本常识所以距离实际上就是光在一定时间内运行过的轨迹在三维空间内这是一条直线。我们再来理下思路我们实际上是借助光在时间里的运行来认识这个宇宙我们说宇宙有多大实际就是说光要走多久。同时因为我们认识的宇宙是三维的光运行的轨迹是条直线。经过当心慎重的讨论我们初步晓得距离这个概念与光、时间和空间有关。这么现今就让我们来打破自己的常识步入奇妙的空间世界彻底的疯狂吧基本知识光是一种波要打破的常识光是沿直线走的。在三维空间里光其实沿直线走并且是走最省时间的那条线可惜爱因斯坦早早已证明空间不是直的。想像一下光在一个球面上如何走在上一节中我们还早已晓得宇宙比这更复杂是十一维的在如此复杂的空间结构里光又该如何走令人惊奇的是这儿就直接给出推论了我也解释不清楚光在种复杂空间结构里有两种方式一种是非缠绕模式一种是缠绕模式这两种模式在相同时间内走过的距离成正比即如果非缠绕模式测的距离是R的话这么缠绕模式测的就是1/R。这太疯狂了我们说宇宙有200亿光年这么大如今数学学家装然说虽然只有200亿光年分之一这么大如此小的地方能住人莫非我们的直觉是垃圾我们没有发狂的诱因是非缠绕的光与缠绕的光是有区别的区别在于能量双方的能量也有巨大差异的一个越小则另外一个越大我们知道我们常见的光是没有质量的但虽然光有基本能量而能量也就是质量所以光也是有不为零的极小的质量的而另外一种光则其实有极大的质量胖的无法走动根本没有办法拿来检测距离。
那我们能不能自己选择用那个方法来检测宇宙答案是不能我们不能自由选择用非缠绕的还是用缠绕的我们只能用那个低能量的所以我们只能检测出一种宇宙其实我们晓得还有另外一种检测方法。我们只能用一种方法检测宇宙有什么后果呢后果就是空间不能无限压缩存在一个最小空间。如今让我们来压缩宇宙假设如今我们用的未缠绕的光这么随着宇宙的压缩未缠绕的光都会能量越来越高而缠绕的光的能量会越来越低到了普郎克空间时双方能量相等假如进一步压缩的话缠绕的光都会比未缠绕的光能量低这时侯我们选用的光就成了缠绕的光他检测出的距离依然小于普郎克厚度。有人说了老娘就是要用未缠绕的光非要变小不可呵呵请注意你只能使用能量低的光由于双方的数学是等价的。起作用的是数学不是语言。如今我们可以做些轻松的推导了我们都晓得大爆燃理论晓得宇宙在无限膨胀但我们显然不晓得其实从另外一个角度看我们虽然是在收缩我们的宇宙小得可怜在数学学上我们膨胀还是收缩--没有区别这真是须弥介子藏万千世界啊空间的本性3--空间传送与黑洞是哪些幻想是人类的翅膀在每位好奇的人的心中没有比星际旅行更让人憧憬了在儒勒的悬疑世界里我们可以坐上飞船去遥远的银河欣赏星际风暴。
但是一个叫爱因斯坦的人粉碎了我们所有的幻想他告诉我们飞船的速率不可以超过光速这意味着假如我们发射了一首光速飞船在我们的有生之年里是别想活着见到他从银河中间回来了其实对坐在飞船里的人来说时间早已融化了永恒只在刹那间她们坐多久的飞船都不会有时间流逝的觉得。但幻想家们立即从爱因斯坦那儿得到了星际旅行的另外一种灵感根据相对论空间是可以弯曲的倘若我们能控制空间弯曲这么我们很快可以抵达宇宙的任何地方。这好比一条直线上的两个点假如沿着直线走要走许久但我们要是把线弯上去这两个点甚至可以重叠在一起这样的话呵呵我们不用出发就抵达了目的地。想想看空间不断的弯曲两个空间之间出现了联接通道我们穿过通道直接到了宇宙的另一边悬疑小说里把这个通道称作虫洞这些看法虽说有趣但忽视了好多事实我们最开始谈两点距离的时侯是考虑的一条线如今我们把线折上去这时侯我们实际上是在面上讨论这个问题。更即便我们还要把这两个点另外联接上去也就是说我们讨论弯曲空间减短距离的时侯实际上是在不同的空间状态下讨论的。物理上有专门研究这些空间变换的称作拓扑学。拓扑学证明了要实现虫洞效应的两个空间结构在拓扑学上是不同的意思是在虫洞效应发生前后空间结构断裂了这是个严重的问题若果空间结构断裂了断裂的空间究竟是哪些意思我们所有的数学学都难以解释这样的话虫洞就不可能形成我们还指望着穿过虫洞呢。
惠藤是当代最杰出的化学学家有人把他比做爱因斯坦。他花了好多时间来研究空间断裂的问题他的研究是漫长并且可怕的复杂。辛运的是我们只须要晓得推论就是了空间断裂确实发生了但空间断裂并没有对化学学导致损害我们是辛运的理论上我们不须要为了穿越星际而等待无数年。是的只须要在空间里打个洞我们能够穿过去抵达宇宙的另一边。问题只在于这个洞怎样样能够大到足够飞船过去黑洞是爱因斯坦带给我们的宇宙礼物星体在燃烧尽了核物质后对外的膨胀力再也不能有引力媲美在引力的作用下逐渐崩溃最后成为一个连光也逃不下来的宇宙怪物永远的黑暗下去吞噬着一切紧靠它的物体。黑洞是独特的更怪异的是黑洞不仅质量、力荷与自转外没有其他任何特点想像一下人不仅重量、性别与高矮外其他全部都是一样的是哪些概念没有唇色、相貌、着装、谈吐之类的差异在谈黑洞之前先谈点其他的其实是毫不相干的问题。在我们的现实世界里我们踢的橄榄球是个三维物体篮球的表面其实是个二维的表面问题是如果我们是在四维空间里我们踢的是哪些球其实四维空间里球其实也是四维的同理四维篮球的表面其实也是个三维空间感兴趣的是化学学家发觉这个三维球面是不稳定的它会逐步收缩、收缩最后收缩成一个没有容积的东西成为一个二维的球面。
这看起来似乎和黑洞没有任何关系但不要着急。化学学家仔细研究了三维球面的性质发觉三维球面对我们那些生活在三维空间里的人来说它会形成一个强悍的引力场这个引力场对于我们来说其性质和黑洞完全一样好好想想三维球面是不稳定的三维球面会渐渐收缩直至没有容积成为一个二维的球面三维球面的性质和黑洞完全一样。三维球面会逐渐收缩直至没有容积成为一个二维的球面是哪些意思请坐稳了意思就是成为一个没有任何质量的光子推论黑洞是不稳定的它会渐渐收缩直至成为一个光子这太让人难以理解了黑洞就我们所知是个巨大质量的物体而光子则是个没有质量的基本粒子黑洞如何会弄成这个玩意儿但请你再想想黑洞的性质质量、力荷与自转懂一点数学的人都晓得正是这三种性质把基本粒子区分开来好了我们如今明白了黑洞虽然就是基本粒子。它和基本粒子的不同很容易用学校物理解释相变。液态的水加热成为二氧化碳遇冷成为固体冰这个过程就称作相变。基本粒子的相变不同在于他不是靠气温而是靠空间结构。在空间结构的变换中黑洞发生了相弄成为了一个基本粒子--例如光子