后来,高斯开始从数学上考虑多维空间。在汉诺威大地测量时,他曾试图通过测量三个山头构成的三角形的内角和,探测三维空间是否存在曲度。
如果三维空间存在曲度,就意味着存在四维空间。
这很好理解,想想是不是这样:一条直线是一维的,它想要弯曲,至少要借助二维空间才能实现;平面是二维的,它想要弯曲,至少要在三维空间里才能实现。
所以,要证明四维空间的存在,只需找到三维空间的弯曲即可。这次,高斯没有取得成功。以后我们会知道,以这种探测方法,以那时的探测技术,成功,绝无可能。
不过,纯粹的数学家是不需要考虑物理世界的。高斯起了个头,一时间,数学家们一发不可收拾,奏响了任意维度和曲率的空间狂想曲。
但是,这恣意飞扬的数学乐章,只是数学家中一个小圈子的学术兴趣,没有与真实的物理世界产生关系。直到狭义相对论打开了那扇窗,人们才认识到,这些神奇的表达式、方程、坐标,居然具有深刻的物理意义!
这次,才华横溢、坦诚率真的闵可夫斯基走在了前列。
爱因斯坦在联邦工业大学上学时,闵可夫斯基是他的数学老师。在那些阳光灿烂、挥斥方遒、情意绵绵的日子里,爱因斯坦经常逃课,闵老师骂他“懒胚”。当然,小爱仍然很敬重闵老师。后来,小爱也为他逃数学课付出了代价——为了解决广义相对论的数学问题,他狂补了一年的数学课。那句话怎么说来着?出来混,迟早要还的。可惜了那一年的时间啊!要知道,那时节,是这个伟大天才创造力最强的阶段,分秒无价啊!这是后话不提,我们接着说闵老师。
有一天,风度翩翩、绅士味十足的闵老师路过实验室,恰逢一个蓬头垢面的学生从实验室飘出,您知道,那就是我们亲爱的爱因斯坦。看着这款非主流的欠扁造型,恨铁不成钢之情在耿直的闵老师心中油然而生,他果断拦住小爱说:“爱因斯坦,你也许是个聪明人,但你决不适合搞物理,为什么你不尝试一下其它职业,比如学医或者法律呢?”难以想象,如果接受了老师的建议,爱因斯坦大夫或许就是史上最渴望成为物理学家的律师了。
这个原本对爱因斯坦同学印象很糟的老师,在领悟了狭义相对论之后,凭着敏锐的科学洞察力,认识到了爱因斯坦思想的深远意义,便立即开始为爱因斯坦的相对论摇旗呐喊。
闵老师讨厌小爱不羁的做派,但他没有因此对小爱的学说抱有任何偏见,还建立了四维时空,从数学上给予有力支撑,夯实了相对论的基础。当然,他自己也因此声名大振。可见,理解和支持一下与自己不太一样的年轻人,也没什么不好。诺贝尔物理奖得主玻恩曾说,他从闵可夫斯基的数学工作中找到了“相对论的武器库”。1909年,年仅45岁的闵可夫斯基身患重病(其实只是急性阑尾炎,可见病的轻重是相对医疗手段高低而言的),临终,他无限遗憾地说:“在发展相对论的年代里死掉,真是太可惜了。”
是啊,的确是太可惜了。假设闵可夫斯基不是英年早逝,说不定可以参与广义相对论的创立。
四维时空观是相对论的重要理论基础,是了解相对论的前提。
数学强人都知道,数学中有各种多维空间,就像我老婆切的土豆一样,每一块或每一根都匠心独具,不胜枚举。但目前为止,我们认识的物理世界只是四维,即三维空间加一维时间。后面将要提到的高维空间,目前只有数学意义。
那么,四维时空是个什么样?我们能想象出来吗?用语言能表达出来吗?
没有谁敢说“能”,但几乎所有人都有兴趣去尝试——好奇是人类最可爱的品格。至于是不是成功了,没人能做评判,毕竟,我们的感官都是配合三维空间而生的,四维,谁也没“亲眼见”过。
虽然我们要做的,是一件没有“正确”答案的事,但一旦认真去做了,这绝对是一场奇妙的思维盛宴,所以,我们,入席吧!
正式进入四维时空之前,我们先做做脑运动:类比。
我们日常活动和直观感知是三维空间:长、宽、高(所谓立体)。人在具象意识中,对时空其实没什么感觉,因此,理解起来不是很容易。但是,正如高中生做大学题困难,而做小学题就容易一样,我们向高维度感知不易,但向低维度感知就容易了。所以先感知一下低维度,类比一下,就明白了。
蚂蚁本身虽然是三维构造,但只能感知到二维空间:长、宽(所谓平面),也就是说,它能感知的只有前后左右,没有上下。人将蚂蚁面前的一块食物拿起来,这个勤劳勇敢的小家伙只当它凭空消失,它不会抬头或低头找找看,因为它意识里没有第三维——高。人也一样,如果四维空间的生物取走我们的东西,我们也只知道前后(长)左右(宽)上下(高)找找,报了案**也是这样找,而无法在第四维——时间的将来、过去之间穿越寻找。
时间只对应于事物发展顺序,而空间只对应事物存在位置——从光屁股撒尿和泥时起,我们就一直是这样认为的。但是错了。错了很正常,因为人可以在三维空间胡作非为,而不能在时间中穿越自如,所以很自然地把空间和时间割裂成两种概念。就像很久很久以前,人们把雷电割裂成雷公电母一样。
如果三维空间存在曲度,就意味着存在四维空间。
这很好理解,想想是不是这样:一条直线是一维的,它想要弯曲,至少要借助二维空间才能实现;平面是二维的,它想要弯曲,至少要在三维空间里才能实现。
所以,要证明四维空间的存在,只需找到三维空间的弯曲即可。这次,高斯没有取得成功。以后我们会知道,以这种探测方法,以那时的探测技术,成功,绝无可能。
不过,纯粹的数学家是不需要考虑物理世界的。高斯起了个头,一时间,数学家们一发不可收拾,奏响了任意维度和曲率的空间狂想曲。
但是,这恣意飞扬的数学乐章,只是数学家中一个小圈子的学术兴趣,没有与真实的物理世界产生关系。直到狭义相对论打开了那扇窗,人们才认识到,这些神奇的表达式、方程、坐标,居然具有深刻的物理意义!
这次,才华横溢、坦诚率真的闵可夫斯基走在了前列。
爱因斯坦在联邦工业大学上学时,闵可夫斯基是他的数学老师。在那些阳光灿烂、挥斥方遒、情意绵绵的日子里,爱因斯坦经常逃课,闵老师骂他“懒胚”。当然,小爱仍然很敬重闵老师。后来,小爱也为他逃数学课付出了代价——为了解决广义相对论的数学问题,他狂补了一年的数学课。那句话怎么说来着?出来混,迟早要还的。可惜了那一年的时间啊!要知道,那时节,是这个伟大天才创造力最强的阶段,分秒无价啊!这是后话不提,我们接着说闵老师。
有一天,风度翩翩、绅士味十足的闵老师路过实验室,恰逢一个蓬头垢面的学生从实验室飘出,您知道,那就是我们亲爱的爱因斯坦。看着这款非主流的欠扁造型,恨铁不成钢之情在耿直的闵老师心中油然而生,他果断拦住小爱说:“爱因斯坦,你也许是个聪明人,但你决不适合搞物理,为什么你不尝试一下其它职业,比如学医或者法律呢?”难以想象,如果接受了老师的建议,爱因斯坦大夫或许就是史上最渴望成为物理学家的律师了。
这个原本对爱因斯坦同学印象很糟的老师,在领悟了狭义相对论之后,凭着敏锐的科学洞察力,认识到了爱因斯坦思想的深远意义,便立即开始为爱因斯坦的相对论摇旗呐喊。
闵老师讨厌小爱不羁的做派,但他没有因此对小爱的学说抱有任何偏见,还建立了四维时空,从数学上给予有力支撑,夯实了相对论的基础。当然,他自己也因此声名大振。可见,理解和支持一下与自己不太一样的年轻人,也没什么不好。诺贝尔物理奖得主玻恩曾说,他从闵可夫斯基的数学工作中找到了“相对论的武器库”。1909年,年仅45岁的闵可夫斯基身患重病(其实只是急性阑尾炎,可见病的轻重是相对医疗手段高低而言的),临终,他无限遗憾地说:“在发展相对论的年代里死掉,真是太可惜了。”
是啊,的确是太可惜了。假设闵可夫斯基不是英年早逝,说不定可以参与广义相对论的创立。
四维时空观是相对论的重要理论基础,是了解相对论的前提。
数学强人都知道,数学中有各种多维空间,就像我老婆切的土豆一样,每一块或每一根都匠心独具,不胜枚举。但目前为止,我们认识的物理世界只是四维,即三维空间加一维时间。后面将要提到的高维空间,目前只有数学意义。
那么,四维时空是个什么样?我们能想象出来吗?用语言能表达出来吗?
没有谁敢说“能”,但几乎所有人都有兴趣去尝试——好奇是人类最可爱的品格。至于是不是成功了,没人能做评判,毕竟,我们的感官都是配合三维空间而生的,四维,谁也没“亲眼见”过。
虽然我们要做的,是一件没有“正确”答案的事,但一旦认真去做了,这绝对是一场奇妙的思维盛宴,所以,我们,入席吧!
正式进入四维时空之前,我们先做做脑运动:类比。
我们日常活动和直观感知是三维空间:长、宽、高(所谓立体)。人在具象意识中,对时空其实没什么感觉,因此,理解起来不是很容易。但是,正如高中生做大学题困难,而做小学题就容易一样,我们向高维度感知不易,但向低维度感知就容易了。所以先感知一下低维度,类比一下,就明白了。
蚂蚁本身虽然是三维构造,但只能感知到二维空间:长、宽(所谓平面),也就是说,它能感知的只有前后左右,没有上下。人将蚂蚁面前的一块食物拿起来,这个勤劳勇敢的小家伙只当它凭空消失,它不会抬头或低头找找看,因为它意识里没有第三维——高。人也一样,如果四维空间的生物取走我们的东西,我们也只知道前后(长)左右(宽)上下(高)找找,报了案**也是这样找,而无法在第四维——时间的将来、过去之间穿越寻找。
时间只对应于事物发展顺序,而空间只对应事物存在位置——从光屁股撒尿和泥时起,我们就一直是这样认为的。但是错了。错了很正常,因为人可以在三维空间胡作非为,而不能在时间中穿越自如,所以很自然地把空间和时间割裂成两种概念。就像很久很久以前,人们把雷电割裂成雷公电母一样。