世界是几维的?
如果弯曲(旋转)是一种维度,世界大不相同
世界是几维的?三维的?四维的?11维的?
开始讨论之前先来想一下,维度的定义是什么?它有什么特点?
通常我们所说的维度指的是用来描述空间的尺度,如果把时间也作为了一个维度,我们能够直接感知到的就是四维空间(上下、左右、前后、早晚)。
如果直接用三维空间来定义我们的世界,显然很多几何形状是无法解释的通的,比如“莫比乌斯带”和“克莱茵瓶”。
从0维的点到三维空间,可以发现,维度升高时,会经历从点到线、再到面再到“体”的变化。从高维度降低时,高维度的空间投影到低维度上会缩减成线或是点。时间在三维空间上的投影无法观察(物质的衰败算是可以看到的),因此,时间作为一个维度来理解并不合适。
传统中对于维度的定义都是直线式的,这导致我们对于复杂结构的描述缺少必要的参数,同时在数学的表达上陷入了复杂公式的泥沼中。
当世界以旋转(弯曲)的方式出现的时候,我们也应该以旋转的思维来理解它。正如我们在等距螺旋中所看到的一样,原以为的均速运动形成的螺旋,实际上是速度比保持不变所形成。
以旋转(弯曲)为维度,重新来看一下,我们的世界,将是下面的样子:
零维——是一个点。通常意义上,它本身并无大小,无论放大还是缩小,对它来说没有意义。
一维——点在单一方向上发生移动,移动的轨迹就一条直线。对于一维的物体,可以用长度来进行描述。
二维——除了前后移动,还可以左右移动时,就像是横竖交织的线条,最终可以形成一个平面。这就是二维的空间,从测量的角度来说,除了长度以外开始有了宽度。
如果没有外力做用,物体会保持静止或均速直线运动(一维空间)。只有当受到侧向力量的影响,运动方向才会发生改变,比如受引力的影响,直线轨迹会变成圆或者螺旋。所以弯曲的曲线是受外力作用而形成,这个外力可以用一个维度来表示,就是旋转的维度。
从这里开始,我们对于维度的认识开始分化。
圆周运动需要有引力来支持才能保持,从这一点上看,它与直线相比是增加了一个维度。螺旋与圆的关系,就是螺旋中存在外扩的直线速度。直线运动不需要有外力来维持,所以螺旋与圆相比,是同一个维度。
三维空间
二维世界向三维世界扩展时,有两种选择,第一种是增加一个直线维度,第二种是增加一个旋转的维度。
1、增加直线维度
增加一个直线维度后,前面提到的二维形状是什么样子。
平面的纸张增加一个直线维度后,相当于增加了厚度,变成立方体。
圆弧增加一个直线维度,会变成(空心的)圆柱面。站在这个圆柱面上,我们可以左右前后移动,当我们向前水平移动时,会回到起点,因为,这里有一个旋转的维度在里面。
螺旋线增加一个直线维度,会形成螺旋状的曲面。
2、增加旋转的维度
接下来看看旋转的维度对二维形状的改变。
一张纸卷曲起来,会形成圆柱面,这是二维平面变成三维曲线最简单的方式。因此,圆柱面既可以看作是平面卷曲的效果,也可以看作是圆弧沿直线拉伸的效果。
圆周在旋转时,有两种情况,一种是以圆心点为旋转中心,绕直径旋转一周得到球面。另一种情况是以圆外一点为旋转中心,旋转一周得到(空心)环状曲面。
从上图可以看到,球面与环状面都通过增加一个旋转维度来实现的,它们属于同一维度的形状。
两个相垂直并相切的圆弧经过旋转,可以得到马鞍形状,其实它是上面提到的环状曲面的局部切片。
当平面在卷曲的过程中,伴随着的某一方向上的移动,会形成类似于扭曲的彩条形状。这种扭曲的条状与圆柱面属于相同的维度。
四维空间
若在前面提到的圆柱面、空心球面、扭曲的彩条面上增加垂直方向上的维度,圆柱面会变成实心,空心球会变成实心球。由于垂直方向上的维度可以将圆柱面变成无限“厚”,因此,理论上它将填满整个空间,与最简单的三维直线空间看起来完全一样。
这就好像大海深处某个位置有一个漩涡,只有处在其中时,可以感受到运动的方向不一样,从外面看,都是相同的实心水体。
上面提到的几种三维空间,增加“厚度”这个维度之后都将填满整个空间,不再是我们讨论的重点,我们继续关注增加旋转维度情况下的空间变化。
前面我们把圆柱面称为三维空间,在这个空间里增加直线维度—厚度,可以升级为四维。那么按照旋转的方式增加维度,会是什么样的效果?
按照图中上方小圆方向对圆柱面进行扭曲,可以得到下方的图形。
圆柱面拆开旋转180°再接起来,得到一个很有名的形状——莫比乌斯环。
旋转的度数再增加一些,可以发现,每当增加180°的奇数倍时,圆柱面的正反面是相联通的,增加偶数倍时,正反面是不联通的。
使用CAD扫略命令(SWEEP),分别旋转多个180倍的度数,俯视图如下图所示:
立体图如下图所示:
尽管这些曲面的旋转度数不同,但它们都在同一个旋转维度下连续变化得到的,所以它们属于同一个空间维度。如果旋转可以被定义为一个维度,则上面这些曲面都属于4维度的曲面。
五维空间
通过旋转增加维度时,空间没有被完全充满,于是维度就有了进一步升高的空间。
莫比乌斯带增加一个旋转的维度,就可以形成克莱茵瓶。刚想明白这个问题时激动了半天,上网一搜,别人早就证明了,连动画效果都有了(晚了一步哈)。这个话题就不多说了,总之,克莱茵瓶是属于五维度的空间。
通过旋转来扭曲空间时,并不总会像克莱茵瓶那样,形成封闭的空间曲面,发散的状态下,会像是螺旋线的多重叠加。
通过旋转增加维度时,旋转的方向会有多种的选择,所以会有多种的形状出现,很难画得完整,目前(我本人)的技术有限,就不再多画了。
六维空间
给克莱茵瓶增加一个垂直于表面的直线“厚度”维度,空间将再次被充满,所以六维度空间看起来会与三维度空间是相同的。
三维空间有三个直线轴向,在这三个直线轴向上分别叠加旋转的维度,刚好还是六维度的形式,大胆设想,对于复杂空间的数学定义可以是(x,y,z,α,β,γ)这样的坐标系来表示。后三者α,β,γ分别代表了以不同的圆心建立的坐标系,以角度来实现定位。
坐标系的应用举例
地球表面的位置点,我们可以用经纬度来表示,比如我国的大地原点,陕西省泾阳县永乐镇,位置在:北纬34°32′27.00″,东经108°55′25.00″。如果没有高度维度,我就会停留在这个(α,β)构成的二维地球表面。当人类能够离开地面,或是深入水中的时候,高度才有了意义,我们的空间就成为(α,β,z)构成的三维空间。
地球绕大阳旋转,本身又自转,在大阳系的维度中,地球表面上的点所经过的轨迹就像是多重旋转角度的莫比乌斯环。如果继续增加旋转中心点的定义,我们的维度还会有更多,但是精减合并下来,还是(x,y,z)就可以表达,只是公式上会复杂很多。
从直线到圆,只有增加额外的“引力”才能发生扭曲。若扭曲并不充分,就会有多种多样的曲线出现,很多的二次曲线、多次曲线,都可以看作是扭曲不充分,或是中间加入了新的“引力”原素,而形成的轨迹。总体来看,空间描述中六维度已经是客观描述的上限,或者说是可以图形表达出来的极限。更多的11维度、平行世界的想法,个人表示无法理解,只能呵呵了。