空间弯折 - 谨以此文向史蒂芬·霍金先生致敬!_风闻

边界猎人 2018-03-19

作者 核电池

  ---谨以此文向史蒂芬·霍金先生致敬!

光是直线传播的, 这是光学基本定律之一. 但在现代天文学中, 光在引力场中发生弯曲, 并被人们不断观测到这一现象, 这成了相对论的强有力证明. 但这两者之间是存在明显矛盾的.

科学家们是如何解释这之间的矛盾呢?他们认为, 由于光在空间中传播, 如果空间本身弯曲了, 那么光也必然会产生弯曲现象, 就像我们在纸上画一条线, 如果以二维平面的立场来观察, 那么这条线是直线, 但如果我们把这张纸弯曲起来, 那么以三维的立场来观察的话, 直线就变成了曲线, 虽然在二维立场上看它仍然是直线.这样就解释了光为什么虽然跟随空间弯曲而弯曲了, 但对光自身来说仍然是在走直线.

我个人认为这种解释有些牵强, 理由如下:

以一维和二维空间为例. 一维空间由一条直线构成, 由于一维空间中所有物质的自由度只有一, 所以如果我是一维空间中的一个点或一条线, 那我将认为我自己不论如何运动都是直线的, 假如这时有人将我所在的一维空间放在了另一个二维空间中, 并将我所在的这条直线空间从中间掰弯了一个角度, 我作为一维直线上的生物是无法察觉到这种空间变化的, 也根本观测不到. 我仍然会认为我始终在做着直线运动.

同样的道理放在二维世界里也一样.假设我是二维世界里的一个平面, 我拥有了x和y两个自由度. 这时我会认为我的全部运动都只发生在这两个维度上, 我可以观察到进入我的世界的全部一维世界的弯折, 但我无法观察到自身平面世界的弯折.

也就是说, 任何维度空间的物体, 只能观测到低维度空间的弯曲, 它是无法观测到自身空间的弯曲的,更观测不到高维度空间的弯曲.

这实际上引出了另一个问题. 空间中可观测物体的量的问题. 任何空间中的可观测物体必然是进入该空间的物体. 由于在空间中产生弯折的物体必然是低维度的, (就像二维空间中的图形是由一维空间做边界围成, 因为只有弯折才可能形成封闭空间, 占据了一部分空间物体才有存在的可能) 所以任何空间中的物体的产生本身必然依赖于进入其中的低维度空间. 而空间中物体的变化, 也只能通过围成物体的低维度空间的弯折变化体现出来.

那么这些进入高维度空间的低维度空间的量是不是宇宙中的全部空间呢? 很显然不是. 就像二维空间可以在三维空间中被裁减一样, 或者像永远有不在平面上的直线存在一样, 三维空间逻辑上一定是可裁剪的, 也一定存在没有落在三维空间中的二维和一维空间. 也就是说任何维度的空间都可以不依赖其他维度而存在, 但要想在某个维度空间中产生物体, 就必须产生多个维度空间之间的相互干涉.

所以, 逻辑上可以推想, 任何一个三维空间中可观测物体的量, 取决于这个三维空间的开放性. 若空间开放, 类似一整个二维平面, 那么空间中的物体量可以增长到趋近无限大, 若空间封闭, 类似于一个球状封闭二维面, 则空间中的物体量必然是一个有限量.

宇宙这个概念当然不是仅指某一个三维空间, 所以在我们所处的空间之外, 必然存在其它质量源, 而这些质量或许就是科学家一直测不准宇宙质量的原因, 这仅是个合理的猜测.

既然出现了多个三维空间, 那么空间和空间如何产生相互作用, 应该就是个有趣的话题了. 水平有限, 无法展开讨论, 只能就此打住.

回到光的弯折上来, 既然空间本身是无法观测到自身的弯折的, 那么为什么我们可以通过光的弯折来推定三维空间的弯折呢?

逻辑上合理的答案应该是不能. 首先, 光可以弯折就说明光的维度必定低于当前空间维度, 而光不是面, 所以光的维度只可能低于二, 光是一维的合理性比较大, 0维物体应该会失去运动性. 其次, 空间的弯折必定存在于更高的维度上,也就是说二维空间的弯折只能存在于第三个维度上, 所以即使通过观察低维度空间(例如光)的弯折情况来判断自身空间的弯折, 也必须经过更高维度的帮助, 否则我们是无法判断这条直线的弯折是在自身平面上的弯折还是在第三个维度上的弯折.

所以, 即使光经过引力透镜发生了弯折, 也无法说明三维空间自身发生了弯曲,除非人们可以证明我们生活的空间是四维的, 这样三维空间才可能在第四个维度上发生弯曲. 否则, 即使光发生了弯曲, 也只能说明光经过了某个会产生透镜效应的介质, 产生了和通过光学透镜类似的效果而已.

很显然, 这第四个维度不太可能是时间, 而时间是否拥有成为一个维度的资格也是存疑的, 因为物体在时间上是没有自由度的.

四维空间想象起来是有难度的, 但我认为还是有迹可循的.

假设地球上有一口井, 这口井必定是三维的, 那么要想掉进井底, 我们就只能从井口这一个方向掉下去.设想一口井, 如果这口井可以从任何方向掉到井底,那么这口井必定是口四维的井, 因为它通过第四个维度释放了一个无限的自由度. 用这个模型, 我们其实可以想象引力场应该是个四维物体.

如果这能说明我们所处的本身是个高于三维的空间, 那么我们或许可以通过研究和掌握引力场的使用方式, 最终弄清楚三维空间是如何在四维空间中弯曲的.