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标题: 转：三体中的物理学——四维空间 [打印本页]

作者: 虐猫达人薛定谔 时间: 2021-7-17 10:41
标题: 转：三体中的物理学——四维空间

维度，数学中独立参数的数目，物理学和哲学中，指独立的时空坐标的数目。对于科幻作家，维度是个美丽而危险的名词。质子低维展开2次失败，太阳系遭二向箔降维打击，人类突入四维气泡，大刘对维度这个概念的痴迷，构成了《三体》中最为精彩的几个段落。
不过现实中，高维空间往往对我们这些可怜的平凡生物关上大门。李淼老师利用物理学，对《三体》中蓝色空间号反击万有引力号这段，进行了一番严肃分析：普通人强行突入四维？对不起，搞不好会要命。
三体之《死神永生》中有一段关于万有引力号追击蓝色空间号，反被蓝色空间号上的人进入第四维彻底占领的故事。这一段写得惊心动魄，同时也展示了从高维空间中看三维的非同寻常的美丽和复杂：
“我们进去吧。”褚岩说,然后像跳水似的钻进了那个空间。莫沃维奇和关一帆惊恐地看着他的身体从头到脚消失在空气中,在空间无形的球面上,他身体的断面飞快地变换着形状,那晶亮的镜面甚至在周围的舱壁上反射出水纹一样跳动的光影。褚岩很快完全消失了,正当莫沃维寄和关一帆面面相觑之际,突然从那个空间伸出两只手,那两只手和前臂就悬在空中,分别伸向两人,莫沃维奇和关一帆各抓住一只手,立刻都被拉进了四维空间。......
人们总是喜欢用这样一个类比:想象生活在三维空间中的一张二维平面画中的扁片人,不管这幅画多么丰富多彩,其中的二维人只能看到周围世界的侧面,在他们眼中,周围的人和事物都是一些长短不一的线段而已。只有当一个二维扁片人从画中飘出来,进人三维空间,再回头看那幅画,才能看到画的全貌。”
假如真的存在高维，例如第四维，我们这些“可怜”的三维生物到底能不能进入？
答案，根据物理学，如果不是不可能，也是异常困难的。
为什么困难甚至不可能？我们首先回顾一下三体中提到在四维空间传播无线电信号的问题。在四维空间中，无线电信号随距离比三维空间中要衰减得厉害得多。
根据能量守恒，信号强度乘以距离的三次方是不变的，这里，距离的三次方就是四维中三维球面的“面积”（忽略一个常数）。所以，在四维空间中，信号强度与距离三次方成反比。而在三维空间中，信号强度是与距离平方成反比的。这是因为，三维中的二维球面的面积与距离平方成正比，那么信号强度乘以面积是一个不变量，这是能量守恒定律。实验表明，在我们的世界中，信号强度确实与距离平方成反比。
也许你会说，在四维空间中能量也许是不守恒的。好吧，我们退一步接受你的说法，在四维空间能量不守恒。能量不守恒的结果是很可怕的，这是因为，在物理学中，能量是与时间有关的。如果能量不守恒，物理学定律会随时间变化。也就是说，一个在四维中的人，下一个时刻的体积和体重会剧烈变化，等等。我们还是不要接受这种可怕的假定。
好，接受了能量守恒定律，你就得接受信号强度在四维空间中与距离立方成反比这个结论。比如，我们从远处看一盏灯，灯会随着距离迅速暗下去，比在三维空间中暗下去的速率要大。
我们都学过库伦定律。这个定律说，两个电荷之间的作用力也随距离平方成反比，这和信号强度类似。其实，这两个定律的起源是一样的，因为两个电荷之间的作用力是通过电磁场传递的。（如果你学过力学，你还知道，两个电荷之间的势能与距离成反比，而力是势能的导数，所以与距离平方成反比。）我们还知道，牛顿的万有引力定律告诉我们，两个质量之间的万有引力也与距离平方成反比。其实，物理学家早就知道了，在三维空间中，所有长程力都与距离平方成反比。
那么，四维如何呢？前面我们已经知道了，在四维空间中信号与距离立方成反比，所以，四维空间的库伦定律就是：两个电荷之间的力与距离立方成反比。
这下就糟了，学过一点力学的人可以计算一下，如果两个电荷之间的力与距离立方成反比，质子与电子形成的束缚系统——氢原子，是否还是稳定的？结论很悲观：只要给一点扰动，这个“氢原子”很快消失，不是电子逃逸了，就是落到质子上去了。
那么，量子力学告诉我们什么？结果更加糟糕，除非电荷被调到一个与质量有关的固定值，氢原子的束缚态根本不存在！也许，只是很少的物理学家知道这个结果，但任何学过量子力学的人自己都可以简单地计算一下，束缚态不存在。
现在回到蓝色空间号。我们问，当这艘被追击的星舰进入四维“气泡”时，它会怎么样？答案很清楚，立刻灰飞烟灭。这是因为我们人的身体是由分子原子构成的，而分子原子之所以成为分子原子是因为原子核与电子之间的电磁力。分子原子进入四维空间就不存在了，人当然也会随之解体。当然，三维人更不可能通过翘曲点进入四维空间。
我们可以问一个更深的问题。假如电磁学只在三维空间中成立，当三维空间与四维气泡连接时，会出现什么现象？一种可能是，电磁学完全被囚禁在三维里，电磁场不能进入四维空间。这种情况确实出现在超弦理论中，三维空间是一个三维膜，三维膜上的一些物理场被囚禁在膜上，不能进入四维空间。那么，人身上的的分子原子可以进入四维空间吗？在弦论中，一般是假定进入不了的。当然，我们可以假想分子原子中的原子核和电子可以进入四维空间，那么我们问，电磁场能进入吗？我还没有看到一个自洽的理论说电磁场不可以进入，如果这样，人还会解体。
一种办法是，让分子原子与电磁场永远囚禁在三维中，但让这个“三维体”随意进入四维，这就要求我们发明强大的机器来实现：这有点像我们在三维空间中拉扯皮球的皮，但没有强大的能力是做不到的。
最后，顺便谈一下其他维。二维如何？既然三维中库伦力与距离平方成反比，那么在二维中库伦力与距离成反比。其实，二维中的束缚态的尺寸非常小。如果我们二维化了，不见得会变大，很可能会塌缩，而且，二维中的质量会导致二维空间闭合——这是另外一个话题，今天不谈了。
更高维的空间呢？只要高于三维空间，库伦力导致的束缚态都是不稳定的。也就是说，在四维和四维以上的空间中，不存在原子，也不存在稳定的太阳系和美丽银河系。
所以，三维空间的存在不是无缘无故的。你问我为什么，我不知道，也许上帝希望有一个稳定的太阳系，有一个美丽的银河系，并且，有智慧的人类。
各位晚安，做一个美丽的高维梦吧。
这本书，大刘是这么推荐的：
“有读科幻小说的快感。”
“《<三体>中的物理学》给人印象最深的地方还在于，作者没有局限于知识的叙述，而是在《三体》的背景上提出了许多富有创意的想法和推论。
比如在超光速飞行的状态下，在不同时间多个字我的出现；在四维空间中，电磁波能量的衰减于距离的立方成反比，以及黑域中低光速对精细结构常数产生的影响，都可能导致分子和原子解体，使从三维世界进入其中的一切都灰飞烟灭；还有关于水滴和降纬攻击的可能性，创造小宇宙的可能性等，都十分震撼和新奇，让我们有读科幻小说的快感，但这些推论又都是建立在严谨的科学理论基础上，建立在作者对物理学和宇宙学深刻的理解上，有科学幻想的神奇，却比其高一个层次。”
——刘慈欣
本帖来自微秘

作者: 千里寻情 时间: 2021-7-17 10:49
最喜欢中国科幻神作三体这本书了，这篇神文也描写的非常精彩，感谢楼主转发到论坛，
本帖来自安卓秘书

作者: 离别两依依 时间: 2021-7-17 10:56
谢谢，真好，真伟大

来自：掌上乐园

作者: 虐猫达人薛定谔 时间: 2021-7-17 11:01
标题: 回复沙发千里寻情
同道中人，文字版有声版广播剧版加起来这三体看了有四五遍了。
本帖来自微秘

作者: 爱唱歌的小书童 时间: 2021-7-17 11:09
标题: 回沙发千里寻情
一个文盲，知道个锤子
本帖来自安卓秘书

作者: 爱唱歌的小书童 时间: 2021-7-17 11:11
标题: 回沙发千里寻情
世界上最可怕的就是没有自知之明，我几乎敢肯定你不明白啥叫三维空间四维空间还有什么多为空间，不懂你就安静的看看也好，还渣渣呼呼的。我承认我也不明白，，但我是绝对不会不懂装懂的
本帖来自安卓秘书

作者: 三缺一 时间: 2021-7-17 11:19
正在听广播剧。

来自：掌上乐园

作者: 千里寻情 时间: 2021-7-17 11:22
标题: 回6楼爱唱歌的小书童
[audiothread=1]http://audio.sky808.com/bbs/www.amhl.vip/20210717/60f24cf941daa.mp3[/audiothread]
本帖来自安卓秘书

作者: 千里寻情 时间: 2021-7-17 11:26
标题: 回6楼爱唱歌的小书童
倒数第一老神棍，我招你惹你了吗？别以为你换了网名我就不知道是你，要我说你莲东南西北都分不清，还好意思在这里装高人，
本帖来自安卓秘书

作者: 爱唱歌的小书童 时间: 2021-7-17 11:31
标题: 回9楼千里寻情
一个文盲啥也不懂，咋咋呼呼啥四维空间多为空间，哈哈哈，笑死个人了，还别说什么四维空间多维空间了，三围空间你都没整明白，哈哈哈
本帖来自安卓秘书

作者: 爱唱歌的小书童 时间: 2021-7-17 11:32
标题: 回8楼千里寻情
如果我不是你说的那个人，你全家c光，
本帖来自安卓秘书

作者: 爱唱歌的小书童 时间: 2021-7-17 11:33
标题: 回9楼千里寻情
来来，乘法口诀会不，哈哈哈，我现在没事干，专门在这论坛里面来撕遮羞布了
本帖来自安卓秘书

作者: 999123 时间: 2021-7-17 11:38
回复 12楼爱唱歌的小书童

说不定他还真不知道。

来源爱盲安卓版，

作者: 会飞的鱼 时间: 2021-7-17 11:40
三体文字的，我看了两遍

本楼内容来自，爱盲论坛安卓版

作者: 江静月 时间: 2021-7-17 14:48
文字版的看了两遍，现在正在追广播剧。
本楼来自天坦百宝箱

作者: 苏北第一帅 时间: 2021-7-17 15:18
标题: 回15楼江静月
请问这位朋友三体的广播剧你是在哪个平台收听呢？
本帖来自安卓秘书

作者: 水仙花 时间: 2021-7-17 16:54
标题: 回复16楼苏北第一帅
秘书里的天空有声就有的啊
本帖来自微秘

作者: 小扇子 时间: 2021-7-17 18:09
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