时间是第四维错吗——100个科学问题之41

海云青飞 20190615

形如疯子的 “四维时空” 概念

在现代物理学中,维度是这样定义的:

  • 用一个表示空间的数据描述某个位置,这个位置称为一维空间位置

  • 用二个表示空间的数据描述一个位置,这个位置称为二维空间位置

  • 用三个表示空间的数据描述一个位置,这个位置称为三维空间位置

  • 用三个表示空间的数据和一个表示时间的数据描述一个位置,这个位置称为四维时空位置。时间通常被称为第四维

    社会上一般说成 “四维时空”,可是时间只是对三个空间维度的补充,不能把时间放到空间的前面,应该说成 “四维空时”

四维空时,把空间和时间放在一起,都称为维度,这是不妥的,因为空间和时间具有根本的不同,比如说你去买菜,一斤菜3元,然后你再说:“我买你的菜用了半斤时间,一斤菜和半斤时间,二者合计多少”,你这样说,卖菜的阿姨会被你逼疯的。四维空时,把空间和时间并列都称为维度,这是疯子一样的做法

空间和时间可以同时出现,空间用了 维 字,那么时间就不能用相同的字了,比如说时间可以用 “补”,表示时间是对三个空间维度的补充说明,三维一补是可以说的

四维空时描述的是物体的次要信息

一个人在某个时间走到独木桥的某个位置

一个猿在某个时间走到独木桥的某个位置

上述二个事件都可以用物理学的四维空时的四个数据描述,但是同样的四个数据可以同时适用于猿和人,这就有问题了,因为猿和人有着本质的不同,四维空间根本不能描述出本质的不同,换句话说,现代物理学很多研究的是非本质信息,说得难听点,是在研究鸡毛蒜皮的事情

海云青飞认为,整体物理学研究的是事物的本质信息,也就是事物的空间性,空间性可以从三个动态的、开放的空间维度描述,虽然只有三个空间维度,并不需要更多的空间维度,但是它是动态、开放的,因此实际情况是极度复杂的。实际应用中我们并不需要求极为精确的值,我们只要求宏观的值把事物的维度区分开就行了,这时候三维的空间的维度的计算就不那么复杂了,甚至我们直观地观察就可以察觉事物的大概的三个空间维度

第四维,所谓的时间维度是不需要的,如果需要,那么它是紧密地和三个空间维度结合的要素,而不能单独把时间列出作为一个维度

41 “第四维”是什么?

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

“维”这个字来源于拉丁文,意思是“完全地加以量度”。那么,现在就让我们做几次量度

假如有一条线,你打算确定这条线上某一个固定点X的位置,使别人能够根据你的描述找到这个点。一开始,你在这条线上随便确定一个点,把它算作“零点”。这样,你就能够进行一番测量,发现X离开零点有两厘米远。如果X在零点的某一侧,不妨把这段距离叫做+2,如果在另一侧,那就是-2

这样,只要大家都同意这些“规定”——零点的位置,以及哪一侧为正,哪一侧为负——那么,只要用一个数,就能确定一个位置

既然在确定一条线上的一个点时,只需要用一个数字,所以,这条线或这条线上的任意一段,就是“一维的”——“用一个数字就能完全加以量度的”

再假定有一大张纸,现在打算确定这张纸上某个点X的位置。你也从零点开始测量,发现它在离零点5厘米远的地方。但是,它是在哪个方向上呢?可以把它分成两个方向:向北三厘米,向东四厘米。如果规定朝北为正,朝南为负;朝东为正,朝西为负,那么,你就能用两个数字来确定这个点了:+3和+4

或许,你可以这样说:这个点离开零点有5厘米远,并且与东西方向成36.87°的夹角。这时还是需要两个数字:5和36.87°。无论你怎么干,总得有两个数字,才能在平面上确定一个点。因此,平面或平面的任意一部分都是二维的

现在,假设有一个象房间内部那样的空间。一个固定点X可以这样确定:它在某个零点以北5厘米,以东2厘米,以上15厘米。你也可以用一个长度数字和两个角度数字来确定这个位置。不过,无论用什么方法,都需要有三个数字,才能确定房间里(或者是宇宙里)一个点的位置

因此,房间也好,宇宙也好,都是三维的

假设有这样一种空间,要想确定其中的某个确定的点,必须用四个(或是五个,或者是十八个)数字才行,那么,它就是一个四维的(或五维的,或十八维的)空间。在我们这个普通的宇宙里,并不存在这样的空间,但是,数学家却能够想象出这种“超空间”,并且还能推断出这种空间里的数学图形会具有什么性质。他们甚至还研究出在任意维空间中的数学图形所具有的性质。这就是“n维几何学”

但是,如果我们所研究的不是固定的点,而是位置随时间而变化的点,又该怎么办呢?如果你打算确定的是在房间里飞着的一只蚊子,那么,就需要给出三个普通的数字:南-北、东-西、还有上-下。接着你还得给出第四个数字来表示时间。因为这只蚊子只在某个瞬间才会位于空间的某个位置,你必须把这个瞬间也判断出来

宇宙间的任何事物都是如此。我们占有空间——它是三维的;此外,一定还要加上时间,才能得到一个四维的“时空”。不过,对时间和其他三个“空间维”不能同样看待,在某些关键的方程组中,三个空间维带有正号,而时间维则必须带有负号

因此,我们一定不要说时间是第四个维,而只能说时间是某个第四维,而且它与其他三维不同

阿西莫夫《你知道吗?--现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

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