一共有多少个维度?每个维度各是什么意思?

当有人提到「高维空间」时,咱们往往会想到平行宇宙、时空穿越。但是,维度的现实和它们怎样正在咱们的宇宙次序中施展感化与这个盛行的形容长短常分比方的。

维度源于咱们对现实的感知,咱们会即时认识到空间上的的三个维度——它们界说了咱们宇宙中一切物体的长度、宽度和深度(分手是 x 轴、y 轴和 z 轴)。

正在这三个可见的维度以外,迷信家觉患上能够另有更多的维度。现实上,超弦实践的实践框架假如宇宙存正在于 10 个分比方的维度中。这些分比方的方面操纵着宇宙,操纵着做作的基础力,操纵着宇宙中一切的基础粒子。

第一个维度,正如后面提到的,是给它长度的维度(又名。x 轴)。对一维物体的一个很好的形容是一条直线,它只存正在于长度上,没有其余可识其余性子。再加之第二个维度,即 y 轴(或高度),工具就变为了一个二维的形态(譬如正方形)。

第三个维度囊括深度(z 轴),并赋与一切工具地区感和截面感。一个圆满的例子便是立方体,它存正在于三维空间中,有长度、宽度、深度,因而也有体积。正在这三个维度以外,另有七个维度,它们对咱们来讲没有是立即就能看到的,但依然能够被明白为对咱们所晓患上的宇宙和现实有着间接的影响。

迷信家觉患上第四维是光阴,它操纵着一切已知物资正在任何给定点上的属性。与其余三个维度同样,晓患上一个物体正在光阴上的地位对绘制它正在宇宙中的地位至关首要。其余维度是更深层能够性施展感化的中央,而注释它们与其余维度的互相感化对物理学家来讲尤为顺手。

更多的时刻,高维这个没有雅点浮当初科幻影戏中。那末正在迷信中,高维是怎样一步步倒退的呢?

19 世纪前期,数学家们对多少根基越来越感趣味。咱们的宇宙有三维空间。但是要是有四维空间多少会是甚么模样呢? 五维、十维、无限维又是甚么模样? 数学家们正在恣意空间维数的多少上做了少量的事情。

数学家们也正在「非欧」多少上做了少量的事情,这些多少违背了欧多少里患上的一个或多个公设。正在欧多少里很多少中,平行线维持相反的间隔。咱们能够设想平行线终究订交的多少图形,和平行线逐步结合的多少图形。如许的空间一般被形容为「蜿蜒的」——一个例子是一个球体的二维外面,正在这个外面上,最初正在球体赤道处平行的线与球体的两极订交。

数学家们没有晓患上他们的钻研后果会对物理学家实用,但个中一些确凿正在现实天下中有运用。多少百年来,物理学家向来正在钻研一个四维框架,由于要肯定一个事宜最少需求 4 个数字:3 示意它的空间地位,1 示意它发生的光阴。1905 年,爱因斯坦发现,物理学定律必须以一种被物理学家称为「洛伦兹稳定量」或「显然协变」的四维形式来誊写,这是准确的。缘故是分比方的调查者对一个事宜有多少「投射」到空间轴上,有多少「投射」到光阴轴上,会有分比方的认识。也便是说,分比方的调查者正在历程需求多长光阴或历程占用的物理空间巨细方面能够存正在分比方。

1915 年,爱因斯坦发现了一种对引力征象更加广泛的形容,即物资的密度间接抉择了四维时空的「曲率」。也便是说,他的引力实践纯恰是多少实践。物资的数目抉择了四周空间中存正在的多少范例。其余物资沿着测地线静止。

起初,像卡鲁扎、克莱因和泡利如许的物理学家试图将爱因斯坦的思维推行到将电磁力囊括正在内。为了正在纯正的多少实践中蕴含电磁效应的源「电荷」,他们必须增添一个新的空间维度,由于多少实践中的每个数字都是一个坐标上的投影。因而,他们患上出了一个 5 维实践(4 个空间维度和光阴维度)。这些所谓的卡鲁扎 - 克莱因实践彷佛没有甚么效果,因而被遗弃了。

多少个世纪以来,物理学家向来正在钻研恣意空间,一般被称为「相空间」。要是你进修过统计物理,就会对相空间的没有雅点再相熟无非了,个中种种首要的物理量被注释为维度。例如,为了形容气体的「状况」,能够画一个三维图,这个三维图是压力、体积和温度。正在相空间中形容一个粒子需求三个动量和三个坐标,要是一个体系蕴含 100 个粒子,那末需求形容 100 个粒子的体系,那末需求一个 600 维的空间来形容这个体系。600 维空间听起来弗成思议,但这正在统计力学中太稀松通常了,这些都没有需求和理论的空间尺度有任何瓜葛。

正在 20 世纪 20 年月末,钻研量子物理学的物理学家发现,数学能够很做作地归入向量实践的框架,而向量实践的维度是无限的。德国数学家年夜卫·希尔伯特已提出了这类空间的实践,咱们称之为希尔伯特空间。正在量子物理学中,丈量的每个能够的效果都是正在形象空间中沿着轴线的投影,与时空有关。没有久以后,英国物理学家 P. A. M.狄拉克指出,一般来讲,量子物理中运用的空间需求无限的维度。正在长达 40 年的光阴里,数学家们对这类空间的数学学问一无所知,无奈接收,直到一名名叫格尔芬德(Gel’fand)的俄罗斯数学家发现了他所谓的「控制希尔伯特空间」的规定。这没有会以任何形式妨碍物理学或物理学家,他们习性于发现他们所需求的数学,而没有是守候数学家肯定如许的数学确凿存正在并定名。早正在数学家们想到无限维度的没有雅点以前,他们就已正在钻研无限维空间了,就像牛顿发现微积分来钻研物理学,而数学家们还没有据说过微积分同样。

多维空间正在盘算机构造中也被证明是实用的。例如,能够建设处理器收集,这些收集正在多少上联接起来,就像多维空间中的曲面同样。

一切已知物理定律的构造都请求咱们的宇宙惟独三个扩年夜的空间维度。例如,近 400 年来向来被试验肯定和证明的现实是,一切的长程互相感化,如引力和电磁力的辐射场,都邑像间隔的平方正比同样下落,这就请求空间是准确的三维空间。

从 1984 年最先,当物理学家对所谓的「弦实践」感觉愉快时,媒体对更高维空间发生了更多的疑惑。「物理学家们素来没有能够找到一个与量子力学统一的万有引力实践,而且有一些特色注解它能够是惟一准确的!」弦实践供应了量子体系的多少形容,很做作地将引力归入个中。但除引力,咱们还晓患上此外三种基真互相感化。借用卡鲁扎和克莱因的思维,物理学家通过增多空间维度来整合其余三种力。一个典范的弦实践有 9 或 10 个空间维度和 1 个光阴维度。分外的空间维度必须存正在,能力正在多少上整合引力以外的征象,但它们没有能够「理论」存正在,否则实践就没有建立。处理计划是用数学法子把这些分外的维度卷曲生长度没有高出 10^-35 米的「团」,这个历程被称为「收缩」。因而,分外的维度将是「松散的」,而且是可检测的。早先,人们指望如许的实践是唯一无二的,如许咱们就会有信念,觉患上这是一条准确的路线。正在近 25 年以后,弦实践的「浮华」险些齐全隐没了。正在停止到一半时,物理学家最先认识到,已提出的五六个分比方的弦实践,彷佛都是一个更谱适实践的分比方极限状况,这个实践临时被称为「M 实践」。正在 M 实践中,弦被狭义化为外面和膜,一般时空坐标一般没有再存正在。时空框架依然能够到达十一维。首要的是要认识到,弦实践的任何方面,以至是最基础的假如都没有通过试验的测验。直到 2007 年终,对其三个基础假如的试验性测验才终究被提出。

到现正在为止,物理学家们还没有详细的没有雅点,对于一切量子历程和引力的统一实践能够是甚么模样,但这些实践肯定是有能够维持多维的。首要的是要认识到,这些实践现正在与试验毫无瓜葛。对一般的四维度以外的任何维度,都没有任何实考证据。

正在很小的间隔内,引力会偏偏离咱们所相熟的与间隔成正比的法则。多小?现实上,正在无比短但微没有雅的间隔,譬如 10^-5 米或更小的间隔,引力并没有被子细钻研和探测。咱们能够做一些至关容易但有趣的试验,而且正正在做这些试验来处理个中的一些题目,咱们只要求急躁地守候效果。实践状况险些每月都正在变迁,实践界提出了 M 实践、基于弦实践的量子引力实践、自力于弦实践的量子引力实践、粒子和力的规范模子的种种多维扩年夜等等。

弦实践还供应了一种能够的量子引力实践,另一种没有太为人所知的代替实践是圈量子引力实践。这类法子与最先的弦实践(20 世纪 80 年月中期)正在统一光阴初次提出,时空是四维的,但正在亚微没有雅程度上有一个「粒状」、分离的构造。现正在,圈量子引力依然是弦实践的一个无比可行的代替计划,一些人已提出,这两种分比方的法子能够会变为一个繁多的、更广泛的实践的分比方类似。

正在任何状况下,无论 M 实践或量子引力获患有甚么新的发展,或是正在极限能量和间隔上的试验展现了新征象,用于微没有雅物体的形容都惟独三个空间维度。实践试图形容天下,却无奈扭转天下。

从 19 世纪最初十年最先,报纸和杂志上满盈着对于「第四维度」的齐全杂沓的形容,更没有用说「振动」和「能量」这两个 19 世纪前期物理学的热点话题了。当爱因斯坦浮现时,「第四维度」成为一个更热点的话题。伪迷信中的更高维度往往与过后没有相干的场景进一步混同,譬如「平行天下」、正在梦幻和药物致幻的「天下」,更没有用说天国、天堂,以至其外星球了。正在已往的 20 年里,对弦实践自觉标消息鼓吹诱发了另一波波及「多重宇宙」的科幻和梦想的狂热,这类狂热很年夜程度上归功于 19 世纪早期的神智学,但基础上与物理学的提高有关。

伪迷信家和小说家向来喜爱「高维空间」。险些任何梦想都能够通过诉诸「神奇的第四维度」或有名的「第 15 个阿卡西维度」来归纳。但这些没有雅点既没有是从迷信中自创的,也并非来自数学,而且正在咱们理论生涯的天下中,都未曾经有任何通过考证的形容和调查到的征象作为根基。

 

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