空間彎折 - 謹以此文向史蒂芬·霍金先生致敬!_風聞

邊界獵人 2018-03-19

作者 核電池

  ---謹以此文向史蒂芬·霍金先生致敬!

光是直線傳播的, 這是光學基本定律之一. 但在現代天文學中, 光在引力場中發生彎曲, 並被人們不斷觀測到這一現象, 這成了相對論的強有力證明. 但這兩者之間是存在明顯矛盾的.

科學家們是如何解釋這之間的矛盾呢?他們認為, 由於光在空間中傳播, 如果空間本身彎曲了, 那麼光也必然會產生彎曲現象, 就像我們在紙上畫一條線, 如果以二維平面的立場來觀察, 那麼這條線是直線, 但如果我們把這張紙彎曲起來, 那麼以三維的立場來觀察的話, 直線就變成了曲線, 雖然在二維立場上看它仍然是直線.這樣就解釋了光為什麼雖然跟隨空間彎曲而彎曲了, 但對光自身來説仍然是在走直線.

我個人認為這種解釋有些牽強, 理由如下:

以一維和二維空間為例. 一維空間由一條直線構成, 由於一維空間中所有物質的自由度只有一, 所以如果我是一維空間中的一個點或一條線, 那我將認為我自己不論如何運動都是直線的, 假如這時有人將我所在的一維空間放在了另一個二維空間中, 並將我所在的這條直線空間從中間掰彎了一個角度, 我作為一維直線上的生物是無法察覺到這種空間變化的, 也根本觀測不到. 我仍然會認為我始終在做着直線運動.

同樣的道理放在二維世界裏也一樣.假設我是二維世界裏的一個平面, 我擁有了x和y兩個自由度. 這時我會認為我的全部運動都只發生在這兩個維度上, 我可以觀察到進入我的世界的全部一維世界的彎折, 但我無法觀察到自身平面世界的彎折.

也就是説, 任何維度空間的物體, 只能觀測到低維度空間的彎曲, 它是無法觀測到自身空間的彎曲的,更觀測不到高維度空間的彎曲.

這實際上引出了另一個問題. 空間中可觀測物體的量的問題. 任何空間中的可觀測物體必然是進入該空間的物體. 由於在空間中產生彎折的物體必然是低維度的, (就像二維空間中的圖形是由一維空間做邊界圍成, 因為只有彎折才可能形成封閉空間, 佔據了一部分空間物體才有存在的可能) 所以任何空間中的物體的產生本身必然依賴於進入其中的低維度空間. 而空間中物體的變化, 也只能通過圍成物體的低維度空間的彎折變化體現出來.

那麼這些進入高維度空間的低維度空間的量是不是宇宙中的全部空間呢? 很顯然不是. 就像二維空間可以在三維空間中被裁減一樣, 或者像永遠有不在平面上的直線存在一樣, 三維空間邏輯上一定是可裁剪的, 也一定存在沒有落在三維空間中的二維和一維空間. 也就是説任何維度的空間都可以不依賴其他維度而存在, 但要想在某個維度空間中產生物體, 就必須產生多個維度空間之間的相互干涉.

所以, 邏輯上可以推想, 任何一個三維空間中可觀測物體的量, 取決於這個三維空間的開放性. 若空間開放, 類似一整個二維平面, 那麼空間中的物體量可以增長到趨近無限大, 若空間封閉, 類似於一個球狀封閉二維面, 則空間中的物體量必然是一個有限量.

宇宙這個概念當然不是僅指某一個三維空間, 所以在我們所處的空間之外, 必然存在其它質量源, 而這些質量或許就是科學家一直測不準宇宙質量的原因, 這僅是個合理的猜測.

既然出現了多個三維空間, 那麼空間和空間如何產生相互作用, 應該就是個有趣的話題了. 水平有限, 無法展開討論, 只能就此打住.

回到光的彎折上來, 既然空間本身是無法觀測到自身的彎折的, 那麼為什麼我們可以通過光的彎折來推定三維空間的彎折呢?

邏輯上合理的答案應該是不能. 首先, 光可以彎折就説明光的維度必定低於當前空間維度, 而光不是面, 所以光的維度只可能低於二, 光是一維的合理性比較大, 0維物體應該會失去運動性. 其次, 空間的彎折必定存在於更高的維度上,也就是説二維空間的彎折只能存在於第三個維度上, 所以即使通過觀察低維度空間(例如光)的彎折情況來判斷自身空間的彎折, 也必須經過更高維度的幫助, 否則我們是無法判斷這條直線的彎折是在自身平面上的彎折還是在第三個維度上的彎折.

所以, 即使光經過引力透鏡發生了彎折, 也無法説明三維空間自身發生了彎曲,除非人們可以證明我們生活的空間是四維的, 這樣三維空間才可能在第四個維度上發生彎曲. 否則, 即使光發生了彎曲, 也只能説明光經過了某個會產生透鏡效應的介質, 產生了和通過光學透鏡類似的效果而已.

很顯然, 這第四個維度不太可能是時間, 而時間是否擁有成為一個維度的資格也是存疑的, 因為物體在時間上是沒有自由度的.

四維空間想象起來是有難度的, 但我認為還是有跡可循的.

假設地球上有一口井, 這口井必定是三維的, 那麼要想掉進井底, 我們就只能從井口這一個方向掉下去.設想一口井, 如果這口井可以從任何方向掉到井底,那麼這口井必定是口四維的井, 因為它通過第四個維度釋放了一個無限的自由度. 用這個模型, 我們其實可以想象引力場應該是個四維物體.

如果這能説明我們所處的本身是個高於三維的空間, 那麼我們或許可以通過研究和掌握引力場的使用方式, 最終弄清楚三維空間是如何在四維空間中彎曲的.