四維時空概念介紹

四維時空詳細(xì)信息

二維空間

有一位專家曾打過一個比方：讓我們先假設(shè)一些生活在二維空間的扁片人，他們只有平面概念。假如要將一個二維扁片人關(guān)起來，只需要用線在他四周畫一個圈即可，這樣一來，在二維空間的范圍內(nèi)，他無論如何也走不出這個圈。

首先一個世界的構(gòu)成必須滿足兩個條件：空間和時間，如果這兩者之間任意一個不存在，那么這個世界就無意義，無意義也就是說不存在。

一個世界的物理法則是必需，世界上一切事物的運作規(guī)律都必須有一定限制，不然該事物的存在就不可能（正所謂一切事物都是相對的存在），如果按照維度空間論來說，那么位于更高維度的生命體就有可能控制時間或空間這就是不合邏輯的事。

而四維空間像愛因斯坦說的在三維空間上加一條時間軸，因為不管幾維空間都離不開時間的支持，沒有時間也就沒有空間！時空是無法分開的，分開就沒有意義了。一把尺子在三維空間里（不含時間）轉(zhuǎn)動（以尺子外的某個點或線為中心），其長度不變，但旋轉(zhuǎn)它時，它的各坐標(biāo)值均發(fā)生了變化，且坐標(biāo)之間是有聯(lián)系的。四維時空的意義就是時間是第四維坐標(biāo)，它與空間坐標(biāo)是有聯(lián)系的，也就是說時空是統(tǒng)一的，不可分割的整體，它們是一種“此消彼長”的關(guān)系。

四維空間就是時空，使用四元數(shù)可以較為方便的理解因四維空間而產(chǎn)生的相對論效應(yīng)，見《關(guān)于四元數(shù)的幾何意義和物理應(yīng)用》。

四維時空基本概況

在物理學(xué)和數(shù)學(xué)中，一個n(n可以為非整數(shù))個數(shù)的序列可以被理解 為一個n維空間中的位置。當(dāng)n=4時，所有這樣的位置的集合就叫做四維空間。這種空間與我們熟悉并在其中居住的三維空間不同，因為它多一個維數(shù)。這個額外的維數(shù)既可以理解成時間，也可以直接理解為空間的第四維，即第四空間維數(shù)。有人認(rèn)為時間也是一種空間，在某種條件或情況下可以被逆轉(zhuǎn)，可以被穿越。

四維時空四維空間概念

四維空間是一個時空的概念。簡單來說，任何具有四維的空間都可以被稱為“四維空間”。不過，日常生活所提及的“四維空間”，大多數(shù)都是指愛因斯坦在他的《廣義相對論》和《狹義相對論》（統(tǒng)稱“相對論”）中提及的“四維時空”概念。根據(jù)愛因斯坦的概念，我們的宇宙是由時間和空間構(gòu)成。時空的關(guān)系，是在空間的架構(gòu)上比普通三維空間的長、寬、高三條軸外又加了一條時間軸，而這條時間的軸是一條虛數(shù)值的軸。

根據(jù)愛因斯坦相對論所說：我們生活中所面對的三維空間加上時間構(gòu)成所謂四維空間。由于我們在地球上所感覺到的時間很慢，所以不會明顯的感覺到四維空間的存在，但一旦登上宇宙飛船或到達(dá)宇宙之中，使本身所在參照系的速度開始變快或開始接近光速時，我們能對比的找到時間的變化。如果你在時速接近光速的飛船里航行，你的生命會比在地球上的人要長很多。這里有一種勢場所在，物質(zhì)的能量會隨著速度的改變而改變。所以時間的變化及對比是以物質(zhì)的速度為參照系的。這就是時間為什么是四維空間的要素之一。

四維時空詳細(xì)釋義

四維時空不僅限于此，由質(zhì)能關(guān)系知，質(zhì)量和能量實際是一回事，質(zhì)量（或能量）并不是獨立的，而是與運動狀態(tài)相關(guān)的，比如速度越大，質(zhì)量越大。在四維時空里，質(zhì)量（或能量）實際是四維動量的第四維分量，動量是描述物質(zhì)運動的量，因此質(zhì)量與運動狀態(tài)有關(guān)就是理所當(dāng)然的了。在四維時空里，動量和能量實現(xiàn)了統(tǒng)一，稱為能量動量四矢。另外在四維時空里還定義了四維速度，四維加速度，四維力，電磁場方程組的四維形式等。值得一提的是，電磁場方程組的四維形式更加完美，完全統(tǒng)一了電和磁，電場和磁場用一個統(tǒng)一的電磁場張量來描述。四維時空的物理定律比三維定律要完美的多，這說明我們的世界的確是四維的?？梢哉f至少它比牛頓力學(xué)要完美的多。至少由它的完美性，我們不能對它妄加懷疑。

在狹義相對論中，時間與空間構(gòu)成了一個不可分割的整體——四維時空，能量與動量也構(gòu)成了一個不可分割的整體——四維動量。這說明自然界一些看似毫不相干的量之間可能存在深刻的聯(lián)系。在今后論及廣義相對論時我們還會看到，時空與能量動量四矢之間也存在著深刻的聯(lián)系。

四維時空表示運動物體存在的物理空間，更詳盡的表述如下，其對應(yīng)相空間達(dá)到十八維：

前三維是位置，存在于空間中；

第四維是速率，存在于時間中；

第五六維是速率指向，存在于（速度）時間方向中；

第七八維是狀態(tài)指向，存在于自身形狀對應(yīng)的空間方向中；

第九維是狀態(tài)轉(zhuǎn)角，存在于自身形狀對應(yīng)的滾動中；

第十維是自旋速率，存在于滾動時間中；

第十一二維是自旋赤道軸指向，存在于滾動（速度）時間方向中；

第十三維是自旋赤道軸指向漂移速率，存在于滾動變化（加速率）時間方向中；

第十四五維是自旋赤道軸指向漂移速度赤道平面映射方向，存在于滾動變化（加速度）時間方向中；

第十六維是加速率（或受力強(qiáng)度）；

第十七八維是加速度（或受力）方向。

四維時空維數(shù)概念

通過把任意一個可以張出幾何圖形X的向量集合中的所有贅余向量移除，我們可以過的一組X的基底。選定的初始向量集合不同，獲得的能張出X的基底也可能不同；但是，可以證明所有這些基底中都含有相同數(shù)量的向量。這個數(shù)量就叫做X的維數(shù)。換句話說，如果X最少需要 n 個向量來張出它，那么X就是n維的。

直觀地，一個圖形的維數(shù)可以認(rèn)為是一個人要想達(dá)到這個圖形中所有的點，需要運動的所有不同方向的數(shù)目。

例如，一個點是一個零維圖形。我們不需要任何向量來張出它，因為如果我們從這個點出發(fā)，我們已經(jīng)到達(dá)了它所有的位置。一條直線是一個一維圖形。從直線的某一個點上出發(fā)，我們需要一個指向這個直線的方向的向量來到達(dá)到直線上的其他點。只要一個向量就足夠了，因為通過不同程度的伸縮它我們可以到達(dá)直線上的任意其他點。

一個平面是一個二維圖形。給定平面上的一個起始點，我們至少需要兩個互不平行的向量來張出這個平面。如果只有一個向量，我們只能到達(dá)某一條直線上的所有點；所以我們需要有另一個與它不平行的向量來往這條直線的“兩邊”走，從而到達(dá)平面上的其他點。只要兩個方向就足夠了，因為我們可以順著（或逆著）前一個向量走不同的距離，再往兩邊走不同的距離來到達(dá)平面上的任意點。也可以把平面理解成許多平行線的“堆積”；要想在二維平面上從一點運動到另一點，我們需要首先沿著線平行線運動，再穿過這些平行線向另一個方向運動。

在我們的眼中，空間是三維的。要達(dá)到空間中的某一點，我們不僅要向前向后、向兩邊走，還需要上下移動。換句話說，需要第三個向量才能到達(dá)空間中的所有點。同樣，也可以把空間理解成許多平行平面的堆積：要想在空間中從一點運動到另一點，我們可以先沿著一個方向前后走，再向兩邊走，最后上下走。

四維空間則是一個需要四個不同方向才能到達(dá)其中所有點的空間。這種空間可以認(rèn)為是許多平行的三維空間的堆積。要理解這個概念，想象一下把一張張紙并列疊起來的過程。如果人不把它們一個個堆疊起來，這些紙張不會延伸進(jìn)三維空間。以同樣的方式，要想進(jìn)入四維空間，就必須向一個新的方向運動，這個方向必須是在三維空間以外的。要達(dá)到四維空間中的每一個點，一個人不僅需要向前后、左右、上下移動，還要沿著一對新的方向運動，即上文提到的安娜/卡塔，或者叫維因/維奧等等。

四維時空維數(shù)類比

要理解四維空間的本性，我們可以利用一種稱為“維數(shù)類比”(dimensional analogy) 的方法。維數(shù)類比是指通過研究 n - 1 維與 n 維之間的關(guān)系，來推斷 n 維與 n 1 維之間會有什么樣的關(guān)系。

埃德溫·阿伯特·阿伯特在他的書扁平的世界 (Flatland)中運用維數(shù)類比，講述了在一個扁平得就像一張紙的二維世界中生活的一個正方形的故事。在這個正方形的眼中，生活在三維世界中的人們擁有近乎神的力量，因為他們能在不打破（二維的）保險箱的情況下從其中把東西（通過移入移出三維空間的方法）取出，能看到所有在二維世界看來是被擋在墻后面的東西，甚至能站在離二維世界幾英寸的地方來保持“隱形”。

通過應(yīng)用維數(shù)類比，人們可以推斷，四維空間中的人在我們?nèi)S的視角看來應(yīng)該有類似的神奇能力。魯?shù)稀だ嗽谒男≌f空間世界 (Spaceland)中展示了這一點。小說的主人公就遇到了具有神奇能力的四維人。

中國園林藝術(shù)博采眾長、歷史悠久。如果從殷周王朝算起，至今已有3000多年的歷史，為世界園林藝術(shù)起源最早的國家之一。

中國園林在世界園林史上久負(fù)盛名，集文學(xué)、美學(xué)、音樂、建筑、哲學(xué)……于一體，兼容交蓄，情景交融，極富詩情畫意，獨樹一幟。

中國園林博大精深，她是由地形地貌、山石水體、樹木花草、建筑設(shè)施、題對碑刻、園林小品等要素構(gòu)成，并依照一定的美學(xué)規(guī)律而建筑的四維時空。中國園林在平面構(gòu)圖、時空構(gòu)建、意境構(gòu)思上，主次分明，相互呼應(yīng)，兼顧并存，寓意含蓄，自然、協(xié)調(diào)、幽靜、雋美。

步移景異，一步一景，則是中國園林的又一特色。其造園藝術(shù)，則是通過造園各要素組成內(nèi)容豐富多彩的不斷變換的藝術(shù)畫卷，——展現(xiàn)蘊(yùn)涵深廣的園林意境。

中國園林在演進(jìn)發(fā)展中，逐漸形成獨特的民族風(fēng)格、時代風(fēng)格、地方風(fēng)格及高超的造園藝術(shù)，在世界園林藝術(shù)中靚麗奪目，令世人嗟嘆不已。

中國園林對亞洲、歐洲、澳洲等不少國家的園林發(fā)展產(chǎn)生過很大的影響，尤其是中國自然式山水家研究中國園林，仿建中國園林的濃厚興趣，有的還著書立說宏揚中國園林藝術(shù)和造園手法。

本書綜述部分闡述了中國園林類型與風(fēng)格、園林設(shè)計的基本原理、園林景觀的設(shè)計手法、園林空間的處理和園林綠地植物景觀的設(shè)計。書中圖解部分則著重以圖為主，介紹了園林總體規(guī)劃設(shè)計和園林詳規(guī)設(shè)計，例如公園、部隊、工廠、學(xué)校、住宅小區(qū)、高速公路等具體的規(guī)劃設(shè)計方案。

類似地球這樣的物體并非由于稱為引力的力使之沿著彎曲軌道運動，而是它沿著彎曲空間中最接近于直線的稱之為測地線的軌跡運動。例如，地球的表面是一彎曲的二維空間。地球上的測地線稱為大圓，是兩點之間最近的路徑。由于測地線是兩個機(jī)場之間的最短程，這正是領(lǐng)航員叫飛行員飛行的航線。在廣義相對論中，物體總是沿著四維時空的測地線走。盡管如此，在我們的三維空間看起來它是沿著彎曲的途徑（這正如同看一架在非常多山的地面上空飛行的飛機(jī)。雖然它沿著三維空間的直線飛，在二維的地面上它的影子卻是沿著一條彎曲的路徑）。

測地線短程線

如果兩曲面沿一曲線相切，并且此曲線是其中一個曲面的測地線，那么它也是另一個曲面 的測地線。 過曲面上任一點，給定一個曲面的切方向，則存在唯一一條測地線切于此方向。 在適當(dāng)?shù)男》秶鷥?nèi)聯(lián)結(jié)任意兩點的測地線是最短線，所以測地線又稱為短程線。

測地線測地線效應(yīng)

光線經(jīng)過一個大質(zhì)量天體附近時，受其引力作用（或者說進(jìn)入了該天體附近的彎曲空間）， 路線會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，稱為“測地線效應(yīng)”。

距離最短的曲線在相對論中的專業(yè)術(shù)語是測地線，事實上，相應(yīng)于速度小于C，等于C，大于C的三種測地線分別稱為類時測地線，類光測地線和類空測地線。所以，如果不受到引力以外其他力的作用，物體將在類時或類光測地線上運動（因為沒有物體的速度能超過光速）

例如，地球這樣的物體并非收到稱作引力的力的作用而沿著彎曲軌道運動；相反，他們之所以沿著彎曲軌道運動，是因為在彎曲空間中，他們遵循著一條最接近直線的路徑運動，這個路徑稱作測地線。用專業(yè)術(shù)語來說，測地線的定義就是相鄰兩點之間最短（或最長） 的路徑。