對(duì)于生活在三維世界的我們來說,二維和三維的概念很好理解,但更高的維度可能會(huì)讓我們感到困惑。事實(shí)上,在探索宇宙真理的過程中,多維、高維和額外維度都是不可回避的關(guān)鍵因素。本書以維度為主題,通過生動(dòng)有趣的插圖和通俗易懂的語言,全面介紹了維度的基本概念和思維方式,以及由此得到的*新理論,如弦理論和膜宇宙;詳細(xì)梳理了史上赫赫有名的數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家對(duì)維度的探索歷程。翻開本書,讓我們跟隨科學(xué)家的腳步,一步步揭開維度的神秘面紗!
前 言
本書雖然從擺在眼前的1個(gè)球開始展開,但隨著章節(jié)的進(jìn)展,可能會(huì)因?yàn)槟承﹥?nèi)容的加入,逐漸走向復(fù)雜離奇的方向。
這是因?yàn)榻陙恚T如多維額外維度之類的物理學(xué)或宇宙學(xué)新興名詞開始在社會(huì)中流傳開來,在寫以維度為主題的書時(shí),難免要追求這樣的科學(xué)新方式。
說回這個(gè)球,它不像乒乓球一樣內(nèi)部是空的,而是一個(gè)被塞滿了物質(zhì)的球體。這樣的球便可以說是立體的或者三維的,其中肯定也不乏有人用時(shí)興的3D或Three Dimensional去稱呼它。
不管怎樣,這個(gè)球所占的空間廣度是由長、寬、高這三個(gè)量來決定的,因此被認(rèn)作是三維球體。
這里所說的維度并不是數(shù)學(xué)和物理學(xué)世界中使用的術(shù)語,也不是如我和你是活在不同維度世界的人這種社會(huì)性、比喻性表達(dá)的維度,而是定義上所說的維度。雖說如此,這種日常生活中維度的使用方法,從根本上來說也是從定義維度的用語中派生出來的。因此本書要從維度原始的由來開始說起,并且我估計(jì)中途也不會(huì)脫離本質(zhì)。
回歸正題,首先,用小刀將剛才內(nèi)部被塞滿的球一下子切成兩半。球中間就會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)相同的面。這些面有長有寬,但沒有高度(厚度)。也就是說,這是具有兩個(gè)量的二維圖形。初的三維球體失去體積或容積,只剩下面積。
接著,用剛才的小刀把兩個(gè)圖形的其中一個(gè)再切一次,于是圖形的切口出現(xiàn)了線。這條線既沒有寬度也沒有高度,只有長度這一個(gè)量。這樣先是體積消失,接著面積消失,只剩下長度這一個(gè)量。那么我們就可以說,長度是一維的本體。
之后,把因二維切口出現(xiàn)的這條線再次用小刀切開。于是線的切口處出現(xiàn)了無窮小的點(diǎn)的形狀。雖說是形狀,但是點(diǎn)并沒有我們所能想象出的長、寬、高,更沒有面積和體積。那個(gè)點(diǎn)僅僅是在切開的瞬間,作為從過去通往未來的途中的經(jīng)過點(diǎn)一樣出現(xiàn)了。在這個(gè)點(diǎn)上,沒有任何能被我們觀測到的可以作為量的維度,因此被稱作零維。
這么看我們立刻就會(huì)發(fā)現(xiàn),零維是從一維中出現(xiàn)的,一維是從二維中出現(xiàn)的,二維是從三維中出現(xiàn)的。也就是說,每個(gè)維度不獨(dú)立存在,較低的維度往往隱藏在比它更高的維度中,或者重疊在一起。
這幾個(gè)維度任誰都能輕易理解。然而,就像開頭提到的,近年來一些物理學(xué)家和宇宙學(xué)家通過一度熱議的超弦理論膜宇宙或多元宇宙等理論預(yù)言出其他宇宙;從我們固有的直觀的三維空間和愛因斯坦的相對(duì)論所預(yù)言的四維時(shí)空等觀念來看,這些宇宙具有我們終究無法把握的維度。
宇宙有五維、十維、十一維……甚至是二十六維或無限維!這種就是四維時(shí)空 額外維度的空間,更有無數(shù)這樣的宇宙像肥皂泡一樣在更廣闊的時(shí)空中出現(xiàn)了又消失。維度現(xiàn)在正面臨著困難的局勢,生活在這樣的時(shí)代的我們頭腦都變得奇怪起來。
本書由三人合著,但從一開始就沒有硬性規(guī)定由誰來寫哪一部分。其中一位合著者尊重科學(xué)規(guī)定和規(guī)則,決不會(huì)背離本來的主題;另一位傾向于用冷靜的視角看待新的假說和理論;剩下一位喜愛用天真和諷刺相交織的手法所以這本書可能會(huì)描繪出互不相容的三個(gè)靈魂碰撞的維度世界。
另外,合著者中的一位想用英語書寫,該英文部分由年輕且朝氣蓬勃的研究者田中智行先生進(jìn)行翻譯。在這里事先向他表示謝意。
后感謝Softbank Creative的益田賢治主編。對(duì)于在工作中容易松懈的作者,他總是以寬容之心接受,是一個(gè)來自特殊維度的人。
為三位合著者代言 矢澤潔
目 錄
前 言
第1章 從零維到一維的世界
事物從點(diǎn)開始12
歐幾里得幾何學(xué)的誕生14
定義點(diǎn)和線沒有意義?19
單單是無數(shù)不能成線20
一維空間的點(diǎn)總是不變的嗎23
線之國的生命體26
用一維構(gòu)造三維28
專欄 存在著非一維的線31
第2章 二維世界
證明平行公設(shè)36
神童創(chuàng)造出的新幾何學(xué)體系39
從歐幾里得幾何學(xué)到非歐幾里得幾何學(xué)42
黎曼幾何學(xué)的誕生46
二維世界的正方形先生51
測量二維世界54
人類的眼睛只能看到二維56
專欄 中子星上的二維生物58
第3章 三維世界
空間和物質(zhì)是同一種東西62
牛頓的三維空間66
宇宙的三維空間是平坦的嗎71
宇宙大爆炸和平坦宇宙73
宇宙是在平坦?fàn)顟B(tài)下膨脹的嗎79
三維空間不是連續(xù)的?80
專欄 三維宇宙和正多面體81
第4章 從三維空間到四維時(shí)空
數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家眼中的新維度84
黎曼的彎曲空間登場89
數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家的不同立場91
空間和時(shí)間是的嗎92
時(shí)間膨脹和長度收縮的宇宙95
閔可夫斯基和愛因斯坦的時(shí)空概念96
名為額外維度的魔法杖102
向著遙遠(yuǎn)的終極理論前進(jìn)104
光線在引力場中會(huì)發(fā)生彎曲107
專欄1 黎曼的n維幾何學(xué)112
專欄2 兩個(gè)相對(duì)論114
專欄3 時(shí)間維度和空間維度有什么區(qū)別116
第5章 初露頭角的五維空間
初次提及五維118
預(yù)測空間的漣漪卡魯扎-克萊因理論122
被拋棄的五維世界128
操控16維、26維的理論家130
嘗試描繪隱藏的維度132
五維空間和六維空間135
額外維度一定會(huì)出現(xiàn)嗎137
專欄 規(guī)范場論140
第6章 弦理論和多維宇宙
消失的卡魯扎-克萊因理論再度復(fù)活142
從粒子樂園到夸克146
楊-米爾斯理論150
名叫標(biāo)準(zhǔn)模型的不完整理論153
真理是可以通過它的美麗和單純來認(rèn)識(shí)的155
振動(dòng)的弦和26維世界156
出現(xiàn)了,超對(duì)稱性160
在弦理論中統(tǒng)合引力161
英年早逝的謝爾克的繼承者163
專欄1 粒子加速器165
專欄2 對(duì)稱性和超對(duì)稱性166
第7章 人類是膜宇宙的住民嗎
比十維更深層次的謎團(tuán)170
普林斯頓弦樂四重奏和卡拉比-丘空間172
統(tǒng)一5種超弦理論的M理論178
漂浮著所有泡泡宇宙的多元宇宙183
M理論簡化后的膜宇宙的出現(xiàn)184
在引力膜宇宙和弱膜宇宙之間187
尋找KK粒子的蹤跡190
作為后記的終章193
數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家的墓志銘194
時(shí)間的存在與不存在195
我們究竟在哪里198