五千年(敝帚自珍)

主题:现在似乎终于懂了狭义相对论,解释一下 -- 陈经

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家园 从几何的角度看空间连续性

时空的连续性是一种经验判断,来源于我们的日常观察。从来没有任何物理学的基础理论可以推导出时空连续的结果。

实际上,从逻辑的角度,我们可以把时空连续性判断等价为时空是否无限可分,或者说时空的线性、非线性问题。

时间的性质,物理上还没有完全定义清楚。广义和狭义相对论都是可以采用负时间的,也就是说时间正流和倒流都可以。只有在热力学第二定律中,才定义了时间的方向,总体上是熵增的方向。所以先不讨论时间。

那么空间的构成,是否无限可分呢?可以从另一个角度,即世界如何由微观到宏观,世界如何构成的角度去看。这其实是一个几何问题。当然,已经远远不是标准的空间几何可以说明的,必须要引入分形几何学。

实际上,仅仅在几十年前,我们对构成我们周边的世界,在几何上的认识还是非常肤浅的。世界绝不是我们按照日常观察,演绎的,像沙堆一样,从沙子、沙堆、沙山这样简单堆积起来的。

学术上一般把这种理想状态的空间,叫做标准的欧式空间,即连续的、平滑的、线性的三维空间。其中空间是3维的,平面或球面是二维,直线或曲线看成一维。也可以稍加推广,认为点是零维的,当然还可以引入更高维空间。总而言之,通常人们习惯于整数的维数。

但真实的世界并不是整数维度的!

在二十世纪七十年代,法国数学家芒德勃罗(B.B.Mandelbrot)在他的著作中探讨了开创性的提出了分形几何问题。芒德勃罗指出:除了光滑、线性的欧氏几何以外,还有一种不光滑的几何,这种几何更适于描写大然的本来面目,即分形几何。

例如,考虑“英国的海岸线有多长”这个问题。越是靠近其蜿蜒曲折的海岸,越是细化测量的标度,它的周长就越大!说明海岸线是一种无标度对象,用不同刻度的“尺子”去测量此类现象,可以得到完全不同的长度结果。最大为无穷大,最小为初始两点间的直线距离。还有数学上的Von Koch曲线(具体构造可见相关书籍)。此曲线在一维下测量任意段长度为无穷大,在二维下测量面积为零。而我们知道,在标准的欧式空间中,线段是2维的,肯定有固定的长度。

这类数学问题一直就被提出,例如面积无限,体积为零的谢尔宾斯基海绵,困扰了数学家许多年。芒德勃罗指出,我们之所以无法用几何语言去描述这些数学问题,是因为我们是在维数为整数的空间中,用维数同样是整数的“尺子”对其丈量、描述;而维数不应该仅仅是整数,可以是任何一个正实数;只有在几何对象对应的维数空间中,才能对该几何体进行合理的整体或局部描述。

实际上,科赫曲线的维数是1.26,谢尔宾斯基海绵的分形维数是2.73。更详细的描述过于学术化,可以略过。河里有牛人写过分形,地址是ttp://www.ccthere.com/topic/963756。

我们只要知道,分形是我们周围自然世界的常态。在我们的世界中,广泛存在着多元的维数。线性的、平滑的空间只存在于理论上,现实是不存在的。没有线性和平滑性,何来连续性?从这个角度,我们可以看出,空间的连续性没有可支持的几何基础。 

最后说一句。发现现在很多网友的科学知识还停留在上世纪的6、70年代,而对最新的科学进展缺少了解,出现一些缺乏常识的想法。原因似乎是因为只学了大学里的普通物理化学教材,那是远远不够的,要知道知识从产生到进入教材可能要几十年时间。建议大家多看看一些最近出版的严肃科普杂志和书籍。

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