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奇异的四维空间

已有 12375 次阅读 2011-2-12 00:07 |个人分类:科学八卦|系统分类:科普集锦| 空间, 氨基酸, 葡萄糖, 四维空间, 维数

 
在数学上,你可以随意设想四维空间甚至更高维度的空间。
但是,现实的物理空间绝不是可以随便有多少维的。比如说,
假定现实的物理空间是四维空间,那将会出现一些什么事情呢?
 
先来看一个例子。
字母“d”,在二维空间(纸面),你可以通过旋转把它变为“p”,却不能得到“b”。
然而,添加上一维,在三维空间,你就可以把它翻转过来,从而得到“b”。
在三维上在加一维,我们则可以作如下想象。
 
假定有一个人被上升到了四维空间,那么,
他在那个空间作旋转,就可以把身体的左和右“翻转”过来。
 
如此翻转的结果,他右脸上的黑痣转移到了左脸,原来位于左侧的心脏则移到了右侧。
身体的细胞内本来螺旋结构为右旋的DNA(脱氧核糖核酸),也变成了左旋结构。
 
事实上,他体内小到氨基酸和葡萄糖等分子,统统都会发生左右反转。
这些分子的结构可以有“左手型”和“右手型”两种类型(构型),
互为镜像关系(一种类型是另一种类型在镜子里的样子)。
地球上一切生物的体内,基本上都是氨基酸为左手型葡萄糖为右手型
上升到四维空间的那个人,他身体一旋转,体内的这些分子层次的立体结构也要全都发生反转。
 
如果现实的物理空间真的是四维空间的话,那么就不免要出现上述这些奇怪的不可思议的事情。
尽管如此,现代物理学家仍然在思考宇宙存在着“第五维”,即是一个四维空间的可能性。
 
如果有“第五维”,世界会变得如此奇异
 
 
小结
 
在三维空间能够翻转字母
字母“d”在二维平面上无论怎样旋转都不会变为字母“b”。
但是把它从二维空间抠出来,在三维空间进行翻转,就可以得到字母“b”。
 
 
在四维空间能够翻转立体
左右不对称的立体在三维空间无论怎样旋转都不会使左右反转
(也就是说,无论怎样旋转都不会使右手拉弓的人像变成左手拉弓的人像)。
但是,在四维空间却可以通过旋转使左右交换。
氨基酸等分子具有左手型和右手型两种结构。
两者的光学性质相反,通过它们的偏振光的偏振面旋转方向相反。
在四维空间,旋转后两者并无区别,从而将失去这种光学性质。
 
 
在四维空间可以逃出
在一维线上的一个点,若前后被堵住,这个点就被禁锢在其中。
但是,这个点可以在二维空间逃出。
在二维面上的一个点,四周都筑上墙,也被禁锢在其中。
但是,这个点可以在三维空间逃出。
同理,关在三维空间笼子里的一只兔子,若在四维空间就可以逃出来。
 
 
扩展阅读:
 
 
 
吴中祥 吴中祥的个人博客TA的所有博文查看博文  
 

数学上,“维”是矢量空间,又称线性空间,的重要基本概念。

所谓“维”就是矢量空间的“基矢”,矢量空间“基矢”的个数就是它的“维”的个数。

有人从可把:“点”0维,“直线”当作1维,“平面”当作2维,“立体”当作3维,简单地认为,由此就可以推论到有“无限维”。

也有人把事物的各种因素、种类,都分别当作各“维”,而组成“多维空间”。

这些,实际上,都是误解了“维”的基本概念,而产生的错误观念

因为,能成为矢量空间的“维”,或“基矢”是必须满足一个基本的条件:那就是:它们必须是彼此线性无关的

“直线”只有1个“基矢”,没有任何另外的矢量与它彼此线性无关,因而,是1维,“平面”有两个彼此线性无关的“基矢”,因而,是2维,“立体”有3个彼此线性无关的“基矢”,因而,是3维。

对于任何维数的空间,必须是有相应个数彼此线性无关的“基矢”。

否则,就不能肯定它的维,或根本就不能构成相应的矢量空间。

我在“博客”中,已结合“相对论”,有多篇系列博文,全面介绍了“时空可变系多线矢物理学”,现在还有一个系列正在进行,都包括具体地讨论物理学中,“维”的问题。

欢迎网友们批评指正、具体参加讨论。

我在标题为“时间的维”的博文,还针对一些,关于是时间与维的不当论点

分析说明“相对论”的4维时空的根据理由和基本特性

还将针对物理学多维问题的一些错误观点,作专题的讨论。

也欢迎网友们积极参加。

 
“左手材料”简介

左手材料(Left-Handed Metamaterials)是近年来材料科学和物理学领域的研究热点之一。谈到左手材料,还得先从右手材料说起。在经典电动力学理论中,介电材料的电磁特性由介电常数ε和磁导率μ两个宏观参数描述。自然界中物质的ε和μ都是正数,当电磁波穿越其中时,描述电磁波传播特征的三个物理量电场方向E、磁场方向H和电磁波的传播方向K构成与三维空间坐标呈一一对应的右手螺旋关系,这就是物理学中经典的“右手定则”。这种规律被认为是物质世界的常规,是物理界不可动摇的基本定律,相应地,自然界中存在的符合“右手定则”的介电材料即为右手材料。
    在经典电动力学中,如果物质的ε和μ一正一负,电磁波将无法在其中传播。但是,如果ε和μ两者都是负数时,情况会怎样呢? 1968年,前苏联物理学家Veselago等人首次提出了大胆的假设,即如果人们能够制造出介电常数ε和磁导率μ均为负值的材料,那么“右手定则”将被推翻,取而代之的是电场方向E、磁场方向H和电磁波的传播方向K构成与三维空间坐标呈一一对应关系的左手螺旋关系。至此,原本看似天经地义的物理学常规定律“右手定则”开始遭遇颠覆性的挑战。但是,由于当时Veselago等人的工作还仅限于纯理论性的研究,自然界中并未发现这类材料,也没有在实验中得到进一步验证,因此这一假设在学术领域长期未被接受。
   “左手材料”是指一种介电常数和磁导率同时为负值的材料。电磁波在其传播时,波矢k、电场E和磁场H之间的关系符合左手定律,因此称之为“左手材料”。它具有负相速度、负折射率、理想成像、逆Doppler频移、反常Cerenkov辐射等奇异的物理性质。“左手材料”颠倒了物理学的“右手规律”,而后者描述的是电场与磁场之间的关系及其波动的方向。

扩展阅读:
 
 
   有人说我很年轻漂亮,
   也有人说我很老很丑,
   您的看法究竟如何呢?
 


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