★自然科学中的“维”究竟是什么?★★从古至今“维”的概念是如何提出并发展演化的?★现代数学与物理中对于“维”是如何严格定义的?★数学与物理中所谓的“维”是完全一回事吗?二者

来源:学生作业帮助网 编辑:六六作业网 时间:2024/12/23 15:34:23
★自然科学中的“维”究竟是什么?★★从古至今“维”的概念是如何提出并发展演化的?★现代数学与物理中对于“维”是如何严格定义的?★数学与物理中所谓的“维”是完全一回事吗?二者★自然科学中的“维”究竟是什

★自然科学中的“维”究竟是什么?★★从古至今“维”的概念是如何提出并发展演化的?★现代数学与物理中对于“维”是如何严格定义的?★数学与物理中所谓的“维”是完全一回事吗?二者
★自然科学中的“维”究竟是什么?★
★从古至今“维”的概念是如何提出并发展演化的?
★现代数学与物理中对于“维”是如何严格定义的?
★数学与物理中所谓的“维”是完全一回事吗?二者之间有怎样的关联抑或是区别呢?

★自然科学中的“维”究竟是什么?★★从古至今“维”的概念是如何提出并发展演化的?★现代数学与物理中对于“维”是如何严格定义的?★数学与物理中所谓的“维”是完全一回事吗?二者
朴素地说,“维”是描述一个空间的性质的量,一个空间中的点至少可以用几个相互独立的量来表示,就说这个空间有几维.(“相互独立”可以简单地理解为缺一不可,少一个就不足以准确地描述一个点)例如,平面的空间可以用x,y两个坐标来表示,并且x与y互不影响,就说平面是2维空间;球面空间可以用经度和纬度两个坐标来表示,并且两个坐标互不影响(在这里我们不考虑特殊的极点,它只要一个坐标),于是球面也是二维的空间.
物理学中常把立体的三维空间与时间加起来,表示一个点在时空中的位置,在经典物理中这四个量是互不影响的,所以是四维空间.而在近代物理中,相对论时空意义下时间和空间有了相关性,但对描述一个点的位置,它们仍然是缺一不可的,是独立的,所以仍是四维的时空空间.
这里要特别指出的一点是,“空间”这个概念是抽象的,并不一定非得是看得见摸得着的长度、宽度或时间之类.数学上只要是满足一些特定性质的集合,都可以成为空间.一个简单的例子是:相对于实数集合,复数集合就是一个二维的空间.我们通常把复数写成a + bi或者(a, b)的形式(其中a, b是实数),就是说复数可以用两个独立的实数表示,所以是实数集上的二维空间.
现代物理的超弦理论中还有高维的时空空间,它无非就是说,在特定的情况下描述空间中的点,仅用三个或四个量是不够的,需要用更多的量.

“维”的定义
亚里士多德认为“不会有超过三维的高次维存在”
“维”(dimension)是用来描述空间或图形的广延性或者复杂程度的一个概念.这个“维”的概念,早在公元前的古人就已经有了.被尊为“几何学鼻祖”的古希腊数学家欧几里德(活跃在公元前300年前后),在其《几何原本》一书中就对点、线、面和立体等给出了严格的定义.古希腊的哲学家亚里士多德(活跃在公元前350年前后),则在其所著的《论天》一书中写道:“立体已经达到‘极致’,不会有超过三维的高次维存在.”
许多人都知道“我思故我在”这句名言,正是说这话的法国哲学家笛卡尔(1596~1650)确立了“坐标”的概念.笛卡尔对“维”所下的定义是:“确定位置所必需的数值的个数.”
按照笛卡尔的定义,那么,在没有大小的“点”的内部无所谓位置,因而点是零维.
“直线”有几维呢?只要知道了直线上某一点到被选定为基准的另一点的距离,即只需一个数值(比如说X=2),就可以确定该点的位置,因而直线是一维.不限于直线,曲线也是如此,所以曲线也是一维.
“方格纸”,只要知道了纸面上任一点所在的纵线和横线的标度两个数值(比如X=4,Y=3),就确定了该点的位置,因而是二维.球形的“地球表面”也是这样,用纬度和经度两个数值就能够确定地球表面任一点的位置,因而也是二维.
那么,我们生活在其中的这个空间有几维呢?飞机或导航系统所使用的GPS(全球定位系统)要用纬度、经度和标高三个数值来确定当前所在的位置.即使太阳系和银河系这样的大尺度空间,只要坐标选择合适,也可以用3个数值来表示空间中的位置.由此可以说我们生活在其中的这个空间有三维.
“二维”的特性
“二维”,有了“形状”
一维世界和二维世界有什么不同呢?
在一维世界(线),两个区域A和B,可加以比较的量只有它们的长度.
然而在二维世界就不同了.二维世界(面)中的两个区域A和B,可以比较它们的面积.不仅如此,除了面积,还可以比较两个区域的另一个特征,这就是“形状”.在二维世界,有三角形、四边形、圆、椭圆等等,甚至曲线所包围不规则图形,而一维世界就不会有这种种“形状”.
利用二维所具有的这种性质我们可以玩拼图游戏.这是把一幅图画剪开成若干部分(拼块),要求把它们重新拼合成一幅完整的图画.在这种拼图游戏中,游戏者必须注意观察每一个拼块的形状,想想应该把哪一个拼块与哪一个拼块拼接,反复尝试.
如果来玩“一维版”的这种游戏的话,那就是把一根绳子截断成长短不同的若干小段,再尝试把它们重新连接成一根绳子.
玩这种“一维版”游戏肯定索然无味.每一小段绳子虽然长度不同,但是没有形状,无论把它们按照什么顺序连接,都可以连接成一整根绳子.
研究形状的数学叫做“几何学”,这是在一维不会有的一门数学,只有二维才会有几何学.除了形状,还有“角度”、“旋转”等,也都是在二维世界才具有意义的概念.在一维世界只能进行“速滑溜冰”,而无法进行“花样溜冰”.
“三维”的特性
“立体”,比平面图形复杂得多
二维世界和三维世界又有什么不同呢?
二维世界是一个面,如前面所介绍的,这上面可以有三角形、四边形和圆等具有面积的各种图形(平面图形).上升到三维空间,则又有了具有体积的“立体”.
平面图形有各种不同的形状,立体,也是有立方体、球、三角锥、圆锥、正四面体等等各式各样的形状.立体有一个在二维不可能有,必须是在三维才具有的特性,那就是,立体可以具有“贯通的孔洞(管子)”.
轮胎的形状(环)就是具有贯通孔洞的一个立体.有手柄的茶杯,也是一个有贯通孔洞(穿进手指的部分)的立体.二维世界的图形是绝不可能有贯通孔洞的.例如正方形,你可以从它的上边向下剜去一部分,得到一个“凹”字的图形.但是,若向下剜得太深,穿过了正方形的下边,你得到的就不会是一个图形,而是把原来的正方形分割成了两个长方形.
三维的这个特性对于我们人类实在是太重要了.要知道,我们人体就是一个“具有贯通孔洞的立体”.这个贯通的孔洞—你当然马上就可以想到,那就是从口向下直延伸至肛门的消化道.
从受精卵到形成胎儿的身体,这个过程叫做“发育”.在人体发育过程中有一件非常重要的事情,那就是在大量细胞聚集形成的胚胎上先开出一个孔洞(肛门),然后逐渐向内延伸,直到在贯通处形成口.如果是二维世界的话,这个孔洞一贯通,人体就会被分为两半.在这种意义上,人的诞生还要多亏三维世界有这样一个特性呢.
……