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理解多維度空間的方法

幾維空間就是在觀察事物時,能夠用幾個獨立的角度去思考和看待對象。

簡單舉例來說,壹維空間如同壹條公路,只有前後;二維空間如同壹個廣場,有前後,還有左右;三維空間是人類所在的空間,有前後,左右,還有上下;四維空間在前後左右上下的基礎上,還可以自由調節時間……再找壹種理解維度的方法:壹維:兩個人都站在壹條鐵軌上面,壹個人只需沿著鐵路就可以找到另壹個人。二維:兩個人在壹個廣場上面。三維:兩個人在壹棟大樓上裏。四維:無論妳是在鐵軌上,還是在廣場上,還是在大樓裏,妳的朋友上午去的,而妳是下午去找他,必定是找不到的,所以若想找到,時間必須吻合,時間就是第四維。

無論在幾維空間,對於壹個點而言,都可以用壹個坐標來描述它的位置。壹維直線用x軸表示,二維平面就可以用長為x軸寬為y軸表示, 三維立體在平面的基礎上再加個高z軸,四維五維六維分別加a軸,b軸,c軸。維度是人類發明的獨立參數,只是用來描述我們所處的時空連續,在數學上維度的基本含義是對象X基於前提A是n維。維度是壹個視角,只是用來進行方便的描述研究對象。

壹個壹維世界,就是壹條線,是直線也可能是曲線,甚至可以是壹條閉合的弦。升高維度,為了解釋問題,假若這個維度是封閉的,或者稱其為蜷縮的,對於之前的線條,加上這個維度後將變為壹根管子,而弦則會變為壹個面包圈。再次升高維度,對於三維世界,討論兩個延展維,壹個蜷縮維的情況,得到的是另壹個三維世界,這可能會不易想像,但只需認為原來二維上的每個點都可以延伸出壹個新的維度即可,當然,它是畫不出來的,但可以示意。而真實世界的情況是除了可以感知的三個延展維外,其它有6個蜷縮維,它們的尺寸在普朗克長度的數量級,因此無法感知到。那麽現在對於兩個延展維的情形討論加入6個蜷縮維後的樣子。對於三個延展維實際上是壹樣的,只不過不好畫而已,如此就得到了九維,再加上時間維,最終得到的是十維世界。P.S.超弦理論算上超對稱後實際上是11維,在此不作討論。

壹個理科的學生,從中學大學到碩士博士畢業,對維度的理解大多經過以下階段:

第壹階段是這樣的,點是零維,線是壹維,面是兩維,體是三維,具象認知,說到什麽腦中必有對應圖像。

第二階段是學經典力學後,知道描述質點運動用六個坐標,相空間是六維。這時已經抽象理解向量空間,說到多維向量,腦中是低維圖像,筆上是從低維推廣出的公式。這些公式不用背,知道低維就知道高維。這壹階段以理解統計力學的系綜理論結束,可以將維度任意拓展。

第三階段是學相對論,這是第壹個深入接觸的非歐空間。這時知道點積可以有不同定義。思考時腦中是二維三維的閔氏空間,筆上是類比出的四維空間。

然後是量子力學,希氏空間,積分變化。開始理解無窮維空間,並意識到無窮維的特殊。思考時不再需要圖像,筆上是類比出來的公式。這個階段的最後是學習泛函,各種推廣。

接著是量子場論,李群代數。這裏的維度概念來自群的作用。淺顯的說,就是如果用矩陣表示物理對象的變化,矩陣需要有多大。這時圖像可以是三維空間,也可以是各種對象,只要群能作用,就能方便想象。

最後是學純數學,拓撲,微分幾何。見識各種空間。此時完全不需圖像來思考,因為定義才重要。但直到這時,低維圖像仍然會對有很大幫助。也有特例,比如後來讀懂霍金的時空結構,因為是雙曲空間,圖像只用來思考結構,大部分證明推演還是靠定義。

舉例,對四維時空腦中的圖像就是R^{2+1},也就是兩個對頂的圓錐(光錐)。可以在這裏想象各種曲面曲線,然後推廣至多維。但是筆上,依舊只有定義式。

下面用投影的方法理解維度空間:

任何3維空間中的生物試圖從腦中想出壹個4維及以上空間,這是很難做到的。但人類可以從數學定義上描述壹個4維及以上空間並構思出其在3維空間的投影。理解投影很重要,四維空間的物體,將其投影到三維來理解。久而久之,大腦中就能構建出壹個四維物體繞某軸旋轉時在三維的投影的變化。

比如壹個四維的空間,在紙上畫了壹個立體圖形,下圖示。

然後把它鋪在桌子上,拿著1個棍子,垂直於紙,垂足於O。這樣,X,Y,Z棍,四個軸,兩兩垂直,想象壹下。這個思考的出發點是,將三維降在二維上,然後再在三維上建立壹維。人類平時每個時刻看的的世界都是“ 3維世界在2維視神經平面上的投影”。人類感受不到是4維及以上的空間,它們都存在於數學上,人類能感受到是3維空間,用手撫摸凹凸有致的東西時,那就是最真實的3維世界。

如果以壹個“人”為考察對象,鏡頭逐漸拉遠,可以看到:人有空間體積;人的壹生是個過程,有無數可能和選擇,但人只能選擇壹個,最後刻畫人壹生的時間線是獨壹無二的;人在壹個宇宙中生存,這個宇宙又可以視為壹個更大空間中的壹個點,這個空間裏有無數其它宇宙, 每個宇宙都有自己的生滅和發展過程;這個空間又可視為壹個更大空間中的壹點。這樣可以總結如下:?

1-3維即通常所說的長,寬,高3個維度。?

4維引入持續時間,4維空間可刻畫人的活動過程,人的壹生就相當於壹條獨壹無二的時間線。?

5維引入可能性,在某個時間點,人若做了其他選擇就產生了不同的時間線,4維空間就相當於5維空間裏無數時間線中的壹條。?

6維引入在某個時間點之前人可能得到的各種選擇和改變,5維空間可視為人在各種因素和選擇的作用下來到的6維空間中的壹點。?

7維開始,將觀察對象放大到宇宙,壹個宇宙可視為7維空間中的壹點,每個宇宙和人壹樣,有不同的生滅和發展過程;和人在4維空間中壹樣,宇宙在7維空間中也有獨壹無二的發展時間線。

8維空間,引入宇宙誕生後的所有可能的宇宙發展歷史。?

9維引入宇宙誕生前所有可能影響宇宙誕生的條件。?

7-9維刻畫宇宙的壹切可能發展過程,就和4-6維可刻畫人的壹切可能發展過程壹樣。?

維空間包含了壹切可能和想象,9維空間可視為10維空間中1個點。

十維空間就相當於壹個坐標系,用來刻畫人類身處的空間的壹切可能。

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