08 智子与维度

08 智子与维度

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本期节目略微烧脑,特附上音频逐字稿,便于大家理解。


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宇宙很大,生活更大!喜马拉雅的朋友,您好,我是北京天文馆的齐锐,欢迎收听《齐说三体》。


在上一集里,我们聊了智子工程。智子,是三体舰队到达地球之前,地球和三体这两个世界之间,在物质实体层面上的唯一的单向交流。可以说,从智子来到地球之后,地球人类才真正进入了三体危机的时代。智子是大刘在小说里开出的第一个大脑洞,也是从头到尾贯穿三体三部曲的唯一的角色。


所以今天呢,我打算结合智子的故事,谈谈相关的科学知识。在这一集里,就先说说制造智子的过程,就是小说里写的,把原子核中的质子,进行低维展开那部分。这里的低维,是更低的空间维度的意思。那么到底什么是空间的维度呢?


一、空间维度


我们平时在日常生活和工作中说的维度,指的是人们观察、思考事物的“思维角度”。在数学里也有维度的概念,一般是指描述一个数学对象所需要的参数的个数。


今天我们说的空间维度,和上面的都不一样,它是物理学里的概念。用科学的定义,它是指相互独立的空间坐标的数目。这么说可能有点抽象,如果您不太明白,我们举几个例子,来说明什么是空间的维度。


比方说,有一个无限小的点,它在空间中就是零维的,换句话说,一个没有大小的点,就是零维的。这个容易理解。


接下来假如有一条无限长的线,它没有粗细,是一维的。在一维空间里,坐标轴就只有一个,就是沿着线的方向。


同样道理,假想有一个平面,它只有长度和宽度,没有厚度,那么这个平面,就是二维的,在这个世界里,坐标轴的方向有两个,就是前后和左右。


而我们平常所熟悉的这个世界,除了有前后和左右两个方向之外,我们还能够上下运动,一共有三个空间方向,可以自由的运动。也就是说,我们生活的世界是三维的。


到此为止都很好理解吧。那您可能想问我,是不是有更高维空间呢?


二、高维空间


在《三体》小说里,大刘借物理学家丁仪之口,谈到了我们的宇宙空间的维度。丁仪说,宇宙的空间实际上不止有三个维度,而是有十一个维度。之所以我们只能感觉到三个维度,是因为这十一个维度里,只有三个维度是在宏观上展开的,其余的八个维度都被禁锢在微观尺度上了,所以我们根本无法感觉到它们。


关于空间高维度的概念,大刘在小说里可能是借用了弦理论的说法。在弦理论中,物质在空间中的维度,的确不止是我们在宏观上看到的三维,而是有十维。这个数和大刘在小说里描述的十一维,稍有差别。不过这基本不影响小说的情节。


那么,什么是弦理论,智子的低维展开又是怎么回事呢?您慢慢听我往下讲。


上个世纪六七十年代,随着物理学的发展,人们发现了黑洞,也提出了宇宙大爆炸理论,这个时候,爱因斯坦的相对论遇到了一些无法解决的难题,于是就有人提出,宇宙的空间不止三个维度,应该还有更多的维度。


经过二三十年的研究,出现了比较完善的弦理论,它是迄今为止,在高维空间方面,最为知名的理论。弦理论认为组成物质的基本粒子,不是我们通常认为的一个点,而是一维的,也就是一根弦,就像琴弦那样,所以这一类理论才叫做弦理论。


弦理论到了后期升级为超弦理论、和M理论,它们是当代物理学研究的最前沿之一,目的是试图解释宇宙时空的基本组成。近年来受到广泛关注,知名度很高,普通人即便是不知道它是什么,至少也听说过这名字。

 

三、智子的低维展开


小说里说,组成物质的普通质子,在空间上是高维的,所以可以把它一级一级地从高维向低维,做展开。每展开一维,质子在这个空间里,它的体积就会变大很多。当一个十一维的质子,最终展开成二维平面的时候,就会特别大。上次我们已经介绍过,三体人把这个平面当做一个集成电路版,加工成一个超级计算机。然后再把这个平面化的质子,向高维一级一级地收缩回去,最终就又回到十一维的状态,但是这个时候,这个质子,已经被改造成了具有超级智能的智子了。


我们不去讨论三体人是怎么操控维度的,他们怎么就能随意地把物质粒子从高维展开到低维,又从低维缩回到高维。这里只结合今天的主题,单从弦理论出发,来看看把一个普通质子进行改造,是不是可行的?实际上从科学上讲,这里是存在问题的。什么问题呢?


我们前面说过了,弦理论认为组成物质的基本粒子,不是我们通常认为的一个点,而是一维的,也就是一根弦,就像琴弦那样。


所以,对于一个质子,虽然它由更基本的夸克组成,但是从弦理论的角度来看,它最多也就是一根弦而已。换句话说,质子就是一维的,它并不是高维的,因此,根本不可能把它低维展开成一个二维的平面。大刘的这个脑洞开的稍微大了一点。


四、宇宙的琴弦


听到这里,您可能很好奇,如果说组成物质的基本粒子,都是一维的弦,那这大千世界里怎么会有纷繁复杂、各不相同的万事万物呢?那些基本粒子,例如质子、电子、光子,它们有的很重,有的很轻,差别很大啊。它们怎么就都是由一根根的弦组成的呢?


在弦理论来看,确实就是这样。首先,组成物质基本粒子的弦,都很小很小,目前人类还没有办法直接观察到它们。其次,就像我们平时见到的琴弦,可以通过振动发出声音一样,这些弦本身也能够振动,不过这些弦的振动,最终呈现出来的并不是声音,而是组成我们这个世界的物质的基本粒子。并且,弦以不同的频率和能量振动,就能够产生不同类型的粒子,例如质子,电子,光子等等。换句话说,组成我们宇宙万物的,不过是些小到看不见的弦振动的结果。从本质上说,宇宙就是由一根根弦的振动而形成的一首交响乐。                          

                                                                                                     

在当今的物理学中,由弦理论发展而来的M理论,是最有希望把自然界中的基本粒子,和四种相互作用力统一起来的理论。不过目前它只是停留在理论研究的层面,还没有任何相关的物理实验证据。与它相竞争的、颇具实力的理论,还有量子引力理论中的圈量子理论等等,时间关系,我们这里就不展开来讲了。


如果您对空间的维度这一话题感兴趣的话,给您推荐两本科普读物。它们是英国著名的理论物理学家、科普作家布莱恩·格林写的,叫做《宇宙的琴弦》和《宇宙的结构》。


在《三体》小说里,和高维空间有关系的故事,还有很多,例如第三部里面的二向箔和降维打击、田园时代的宇宙等等,随着对小说的解读,以后我都会讲到。


五、四维空间


说到空间的维度,我们作为在三维空间中生活的人,可能很想知道,四维的宇宙是什么样子的?我告诉您,谁也没有见过超过三维的世界,更不知道它的样子了。在三体的第三部里,有很多对四维空间的描述,这都是大刘的独创,对人们理解高维度空间很有启发。


由于我们都生活在三维的世界里,很难想象出四维的情况。但是可以通过在三维空间里观察二维平面的情况,来找到类似的感觉。设想在我们的三维世界里,有一幅画,这幅画是平面的,也就是二维的,我们假想在这个画的二维世界里,有一个二维的生物,它当然是个扁片人,只能贴在画面上。不管这幅画多么丰富多彩,这个扁片人只能看到周围世界的侧面,在他眼中,周围的事物都是一些长短不一的线段而已,线段后面的情况,他无法看到。只有当他从画中飘出来,进入到三维空间,才能真正看到这幅画的样子。


如果把我们生活的世界,比作一幅三维的画,那我们生活在这幅画里的人,同样只能看到周围事物的侧面。这个所谓的侧面,其实就是所有不透明物体的外表,它们挡住了我们的视线,我们没法看到物体的内部,就像二维生物看不到线段后面的情况一样。


只有当我们离开三维世界,进入了第四维,才能看到我们的世界,这幅画的全貌,也就是说,当我们进入更高的维度,三维物体的表面再也不能挡住视线,我们就能直接看到物体内部的一切了。


所以说,假如一个人能进入四维空间,那对于三维世界的普通人来说,他就具有了神一样的能力。比方说,这个神从第四维,可以不需要破坏物体的表面,轻易地取出物体内部的东西,在普通人眼里这就是隔墙取物的神功。再比如,这位神人利用这个第四维,可以在三维世界里,瞬间从一个地方转移到另一个地方,在凡人眼里,这不就是孙悟空的一个筋斗十万八千里的本领吗。在三体的第三部里,蓝色空间号飞船上的人,就是利用第四维,轻易地破坏了威力强大的三体武器——水滴,最终取得了胜利。


好了,关于智子涉及的空间维度的话题,我们就先说到这,下次我们继续聊智子背后的科学。

我是北京天文馆的齐锐,这里是齐说三体。咱们下集再见。

 

以上内容来自专辑
用户评论
  • cd牛哒哒

    齐老师讲得真好,我带着孩子都爱听,对了纠正齐老师一个小错误,智子不是贯穿三部曲的唯一角色,还有一位,是丁仪

    听友69241614 回复 @cd牛哒哒: 丁仪第二部就挂了,他是第一个触摸水滴的人

  • 又见西风

    专家老师带我们品读三体,讲的太太棒了。总是追不够,无奈只能反复听这10多集啊

    1376300vmym 回复 @又见西风: 可以多更新几集就好了!

  • 听友234779221

    你所谓的“物理维度”,你解释起来不还是点线面体的数学维度吗?你所谓的高维度,怎么听起来比低维度还低呢?你所谓的“降维”,如果十九八七维降到二维成立,那么你们为什么不现在就把你们眼前的三维降个二维呢?《三体》,当个小说看看就得了,大不了当个幻想小说,连科幻都谈不上,因为没有什么真正科学的东西。

    干饭人2 回复 @听友234779221: 你比现在当代前沿物理学家还牛逼!赶紧去中科院去应聘去吧。

  • 三声三视

    万一不是大刘脑洞开大了,是现在的这个理论还没到达一定的水准,也就是说我们人类的认知还是很有限的。

    会翔__ 回复 @三声三视: 照你那么说,万一现在所有的知识都是错的呢?

  • 贫僧心如止水

    无知的典型。。质子,甚至中子电子都是有可能再次分裂的,而分裂后的物质也有可能再次分裂。而再小的物体分成一块一块之后都可以有长宽高,包括圆形。所以不能拿无知当真理!!!只能说还没有发现!!!

    嘟着嘴往前冲 回复 @听友84893484: 弦只是一种理论还没证实,最小单位还是夸克

  • 沉默的PACO

    关于四维的描述是《三体》最精彩的部分之一,个人感觉萨满就是通过四维替人治病的

  • 丶Pink

    超弦理论 M理论

    听友234779221 回复 @丶Pink: 新发明:超级面理论!

  • 无名_rwj

    有一点不理解,智子以光速在空气里运动不会燃烧吗?

    大海四条腿 回复 @无名_rwj: 小说而已,根据相对论他不可能到光速

  • 托尼故事

    这个人好像没有细读三体,大刘的维度体系是我们所处的三维是从11维,打成3维的,是战争一维一维打下来了。

    听友236837882 回复 @托尼故事: 战争是大刘对多维空间的一种解释,就想黑暗森林是对费米悖论的解释样,基于现实的想象

  • 热情和你

    大家都觉得好吗?我听了这么多感觉就是物理名词堆砌,说好的涉及哲学,文学,历史,宗教,社会学呢,也只是寥寥几个专业术语名词而已。像在读书本或者ppt一样。失望……

    tiantian6611216 回复 @热情和你: 爱听不听