空間彎曲所引發(fā)的遐想

用平面彎曲來類比空間彎曲

? ? ? ? 空間彎曲,時光倒流與穿梭堕阔,這對我來說是不可想象的绒窑。雖然我學(xué)過愛因斯坦狹義相對論的時空變換公式——物體在接近光速的條件下,會出現(xiàn)尺度伸縮和時間伸縮的問題拷恨。但是我并不理解這個公式的本質(zhì)脖律,為什么會出現(xiàn)這種情況?怎么證明它腕侄?更不要提廣義相對論了小泉。

? ? ? ? 即使如此,我還是想以我有限而貧乏的邏輯演繹能力冕杠,作出一些屬于我自己的思考微姊。我相信有很多人和我一樣。

? ? ? ? 空間彎曲分预,讓我們先想象一下兢交,一條拐彎的馬路、鐵路或大橋笼痹。彎曲意味著什么魁淳?意味著汽車、火車從其上經(jīng)過時与倡,它的運動軌跡是一個彎道界逛。按照我有限的想象力和有限的知識,從字面上來做演繹和推廣纺座。假設(shè)空間彎曲息拜,那么我們的時空飛船在經(jīng)過這段空間時,它的運動軌跡也會不由自主的變成一個彎道。不只是時空飛船少欺,光線和無線電波也是一樣喳瓣。當(dāng)光線在這段空間內(nèi)傳播時,它的傳播軌跡會不由自主的變成一個彎道赞别。由此畏陕,讓我們再設(shè)想一下,可能會出現(xiàn)什么情況仿滔?

? ? ? ? 在宇宙空間惠毁,兩個星球離的很近,就像地球和月亮一樣近崎页,可是它們之間的時空發(fā)生了大尺度的彎曲鞠绰。那么從地球便不能夠走直線抵達(dá)月球,飛船如此飒焦,光線和無線電波也如此蜈膨,可能地月距離需要幾萬光年。我們從地球上看月亮牺荠,看到的也是幾萬光年外的月亮翁巍,而實際上月亮和我們的直線距離可能非常近,比如說幾十萬公里休雌。如果在現(xiàn)實的宇宙中存在著時空彎曲曙咽,那么我們看到的許多遙遠(yuǎn)的天體,可能它們和我們地球的直線距離非常近挑辆。

? ? ? ? 光可以突然改變方向嗎?光在介質(zhì)中傳播可以發(fā)生折射孝情。光遇到平面鏡可以發(fā)生反射鱼蝉,所以光在一定條件下是可以突然改變方向的◇锏矗可是時間呢魁亦?時間卻不能。我目前唯一感覺到時空倒流的羔挡,是在我的記憶中洁奈。人的意識被我認(rèn)為是繼時空之后的第五維空間,我認(rèn)為電磁不足以作為一個空間而存在绞灼。在我自己定義的第五維空間里利术,時間是可以倒流與穿梭的。我無法想象四維的時空里低矮,時間的倒流和穿梭印叁。

? ? ? ? 好,讓我們回到空間彎曲的問題。我想轮蜕,如果時空是一體的昨悼,沒有不存在時間的空間,也沒有不存在空間的時間跃洛。它們是一個事物率触,不同的維度,代表它們不同的特性汇竭。有人可能會問葱蝗,那么在宇宙大爆炸之前的那一刻呢?宇宙是一個密度無限大韩玩,高溫垒玲、高熱、高壓(無窮大)的奇點找颓。那么這樣一個奇點的宇宙合愈,有沒有空間和時間呢?你說它沒有也可以击狮》鹞觯可是我也能想象它有。在宇宙大爆炸之前彪蓬,難道不存在時間嗎寸莫?在這個奇點宇宙之外,難道不存在空間嗎档冬?我無法想象膘茎,時間和空間,是由這個奇點的爆炸帶來的酷誓。

你把它想象成一個奇點

? ? ? ? 我試著探討一維的線和二維的平面之間的關(guān)系披坏,二維平面和三維空間的關(guān)系,目的是為了類比三維空間和四維時空的關(guān)系盐数。如果時空本身就是一體的棒拂,那么我覺的這樣的類比更具有意義。將一維的直線彎曲玫氢,把它變成弧線帚屉,這樣情況我們的現(xiàn)實生活中是可以見到的,比如說一張射箭的弓漾峡。讓一維直線突然改變方向攻旦,發(fā)生偏轉(zhuǎn),甚至是對折生逸,這樣的情況敬特,我們的現(xiàn)實生活中也是可以見到的掰邢,比如說對折一根繩子,比如說光線的折射和反射伟阔。

光的折射

? ? ? ? 那么將二維平面彎曲辣之,把它變成三維曲面,將二維平面對折皱炉,讓二維平面改變延展的方向怀估,能不能夠?qū)崿F(xiàn)?我們在生活中也是可以看到這樣的例子的合搅,比如說彎曲一張紙多搀,對折一張紙。彎曲紙張以后灾部,紙張由平面圖形變成了立體圖形康铭。問題探索到這一步,還是比較簡單赌髓,因為彎曲一張紙从藤,得到的是曲面,曲面它還是一個面锁蠕,而不算是一個三維立體夷野。讓我們再深入一步。

? ? ? ? 我們將一個半球面變成一個平面荣倾,怎么實現(xiàn)呢悯搔?我嘗試著從半球面的頂點向下擠壓半球面,想象著半球面會被我擠壓成平面內(nèi)的一個圓舌仍。為此我還做了簡單的計算妒貌,半球面的面積是以球徑為半徑的平面圓(半球的底面)面積的2倍。所以想把半球面擠壓成一個平面內(nèi)的圓铸豁,只有兩個辦法灌曙。一是把兩倍的面積壓入一倍的面積內(nèi),就是說要增加面積的密度推姻,平均密度要增大兩倍;二是把半球的底面向外延展框沟,使它變成一個更大的圓藏古,顯然紙張這種材料無法做到這一點。

半球面及它的底面

? ? ? ? 如果有一種材料可以做到這一點忍燥,半球面的面積拧晕,應(yīng)該和擠壓之后得到的平面圓的面積相等。由這個面積關(guān)系我得到了梅垄,平面圓的半徑是球的半徑的根號2倍厂捞。

? ? ? ? 半球面的頂點,移動到底面圓的圓心。在徑向上靡馁,半球的母線由弧線延展成直線段欲鹏。在與徑向垂直的橫向上,每一個同心圓都要被向外延展(困難的是臭墨,在這個延展的過程當(dāng)中赔嚎,怎樣保證面積密度或線密度的均勻?)胧弛,紙張無法做到這一點尤误,所以只能碎裂或者是褶皺。

? ? ? ? 我們可以借鑒微積分的思想结缚,在壓縮和擠壓一個三維半球面使它變成一個二維圓面的過程中损晤,我們把它等價為在平面內(nèi)向外圍擠壓一個個同心圓環(huán)(三維半球面底面圓上的圓環(huán))。這個圓環(huán)的環(huán)間距非常微小红竭,接近于零尤勋。所以擠壓和延展這樣的圓環(huán)就相當(dāng)于把一個小圓圈變成了一個大圓圈,圓圈的線密度定然變小德崭。如果要保持線密度不變斥黑,只能把半球面上其它地方多余的密度挪過來,而密度就意味著質(zhì)量和體積眉厨,就是說要把其它地方的質(zhì)量和體積挪過來锌奴。可是從哪個區(qū)域挪呢憾股?哪個區(qū)域的密度多余了呢鹿蜀?

? ? ? ? 如果我們對面積進(jìn)行投影,從一個半球面的正上方發(fā)射平行光線服球,我們會很容易得出來茴恰,這個半球面在平面內(nèi)的投影就是它的底面圓。經(jīng)由投影我們也知道斩熊,在三維半球面被壓縮和延展成二維平面圓的過程中往枣,半球面上所有有弧度的地方,都可以視為密度富余了粉渠,弧度越大分冈,壓縮時富余的密度越多。這些富余的密度需要被轉(zhuǎn)移到外圍霸株,形成一個圓環(huán)面雕沉。如果我們需要半球面被擠壓和延展以后得到的是一個圓面的話。

底面部分及延展到外圍的圓環(huán)

? ? ? ? 繼續(xù)運用微積分的思想去件。擠壓一個三維空間里的立體的半球坡椒,把它變成二維平面內(nèi)的一個圓扰路。它會是一個什么樣的過程?是不是這樣:我們把一個又一個半球面倔叼,它的厚度極薄汗唱,接近于零,半球面的中心半徑(從頂點到底面圓心的距離)是變化著的缀雳,從R—0渡嚣。我們把一個又一個半球面,擠壓和延展成一個二維平面圓肥印。

? ? ? ? 我做了一個相反的實驗识椰,我用紙張剪了一個平面圓。我想把它拼湊成一個半球面深碱。為了能夠做到這一點腹鹉,我沿著圓的半徑剪開,剪個7條8條敷硅,使每一牙小西瓜(弧三角形)一樣大功咒。我用膠水把這些弧三角形依次,順著剪開的縫粘貼起來绞蹦。我得到了一個近似于圓錐面的立體圖形力奋。這不是我想要的。于是我想著幽七,把這個圓錐面的椎尖削掉景殷,使它變成一個圓臺面,把這個圓臺面沿剛才粘貼的縫撕開(這里要假設(shè)沒有粘的很牢)澡屡,原來沒有完全剪開的弧三角形猿挚,變成了一個個獨立的弧梯形。我試想驶鹉,我能不能把它們按照前面的方法绩蜻,重新粘貼起來,使它們變成半球面的一部分室埋。

? ? ? ? 這個實驗我沒有繼續(xù)做下去办绝,但是我卻進(jìn)一步思考了這個問題。如果我們能夠智能的姚淆、隨心所欲的孕蝉,分配材料的面密度,我們便可以隨心所欲的把曲面延展成平面肉盹。更進(jìn)一步昔驱,如果我們能夠把三維世界里的物體疹尾,體積壓縮到接近于0上忍,密度可以任意分配骤肛,我們便可以變化莫測,學(xué)會孫悟空的七十二變窍蓝,從三維世界跨界進(jìn)入二維世界腋颠,由二維世界跨界進(jìn)入三維世界。當(dāng)然這是空想吓笙,因為做不到密度的智能分配淑玫。

? ? ? ? 我在想,從四維時空跨界進(jìn)入三維空間面睛⌒踺铮或者不需要完全進(jìn)入三維空間,只需要壓縮時間叁鉴,空間本身也會發(fā)生延展土涝,或者是空間密度的重置,或者這兩者同時發(fā)生幌墓。反過來但壮,如果使空間發(fā)生延展,或者重置空間的密度常侣,是不是就可以壓縮和拉伸時間蜡饵?而時間被壓縮和拉伸以后,是不是就意味著時光倒流與穿梭胳施?

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