在牛顿时空中的空间被定义为直线3维。
上下,左右,前后3个方向,每个方向都是相互垂直的。
可以无限延伸。
这就是我们普通人可以想象跟感受到的3维空间的实际模型。
那么高维空间到底是怎么样的呢?要了解高维空间的定义,我们必须先了解一下经典牛顿力学中物质质点的定义。
【菜科解读】
物理学为什么要定义空间?
主要是为了描述物质的运动特性才定义的空间。
在牛顿时空中的空间被定义为直线3维。
上下,左右,前后3个方向,每个方向都是相互垂直的。
可以无限延伸。
这就是我们普通人可以想象跟感受到的3维空间的实际模型。
那么高维空间到底是怎么样的呢?要了解高维空间的定义,我们必须先了解一下经典牛顿力学中物质质点的定义。
现在来看看牛顿力学中如何描述物质。
牛顿力学中把物质抽象化为一个质点。
这个质点一般不考虑自旋,不考虑电荷,不考虑引力,不考虑谐振,波动等。
他把物质就看成是一个没有实际大小有质量的一个点,我们把这个点叫作质点,所以质点的运动特性就是3个空间坐标跟1个时间坐标。
如(X,Y,Z,T)就可以把一个质点的运动描述清楚。
而且每个坐标轴的方程式也比较好写,下面我来举个例子,通过这个例子形象的把高维空间的定义给引出来。
现在大家想象一下一个蚂蚁在一个管子里爬。
如何描述蚂蚁这个质点在一个管子里爬这个运动。
管子如果从截面积看是二维的。
如果蚂蚁沿着管子截面圆周方向运动。
我们可以用一个二维坐标来很精确的描述这个蚂蚁的运动轨迹。
如蚂蚁匀速在管子圆周方向转圈圈。
可以用X,Y加一个时间T来描述(X,Y,T)。
如果蚂蚁只沿着管子方向运动,可以用一个一维空间Z就可以描述,如(Z,T),其中T为时间。
现在蚂蚁同时螺旋式前进!我们就必须用3维空间加1维时间来描述。
(X,Y,Z,T),关键时候到了。
如果管子本身也在运动。
如管子以一端为圆心。
做匀速圆周运动。
如何描述蚂蚁的运动轨迹?
如果我们继续用3维空间来描述(X,Y,Z,T)。
那这个方程式会让任何物理学家跟数学家发疯。
没有任何人可以写出用 X,Y,Z,T来描述一个匀速转动的管理里做螺旋前进的蚂蚁的运动轨迹。
这么难以用方程式描述的运动怎么办?物理学家跟数学家都很聪明。
他们不会那么傻的用3维空间来描述这时的蚂蚁运动。
他们会引入一维空间。
如R。
用 X,Y,Z,R,T来描述这是蚂蚁的运动,R就代表管子的转动角度(从0到360度),这时描述的方程就显得非常简单。
这就把第4维空间给拉出来了。
在数学上,方程式会变得非常简单明了,物理学家也可以精确的描述出蚂蚁的运动轨迹。
只因为引入了另外一维虚假的人为定义的空间维度。
在这里R会被描述成卷曲的空间,因为它描述角度的空间。
它的值是从0-360度,所以被形象的想象成一个卷着的空间。
其实在研究微观粒子运动轨迹时,牛顿力学的3维空间根本没法描述微观粒子的物理力学特性。
如粒子的自旋,电荷,引力,强作用,弱作用,其实都是发生在3维空间的粒子,只是用三围空间的3个自由度量来描述太困难,太复杂了。
为了简化方程式,物理学家人为自定义引入了其他描述物质微观粒子自由度的量。
这才是真正物理学家在弦论,膜理论中使用8维空间或11维空间的目的。
如果管子不仅仅做圆周运动。
而且还要做上下震荡运动。
那就还要加一自由度参数,那么为了方程式的简化,就必须再引入一个维度,谐振维度D。
那时描述蚂蚁的运动就要用到5维空间加一维时间(X,Y,Z,R,D,T),其中D是描述管子上下谐振的维度。
如果蚂蚁本身还带有电荷。
并且电荷还随时间而变化。
为了描述一个带变化电荷的蚂蚁,就必须再引入一个维度,电荷维度。
如(X,Y,Z,R,D,H,T)其中H表示蚂蚁身上电荷的变化参数。
如果这个蚂蚁不仅仅带电荷,而且还自旋。
如自旋度为1或者2。
那么就必须再引入一个维度,自旋维度S;
这时描述蚂蚁就必须用7维空间再加1维时间。
(X,Y,Z,R,D,H,S,T)这就可以方便的描述一个在谐振并且匀速圆周运动的管子里,做螺旋前进,并且带渐变电荷跟自旋的蚂蚁的运动轨迹。
这就是传说中的8维时空。
如果还要考虑蚂蚁的引力,强相互作用力,跟弱相互作用力,就必须再引入3个维度,那么就是11维时空了。
物理学家所说的维度,是物质运动的自由度的描述量。
不是实际我们所理解的牛顿力学中的空间维度。
牛顿力学的空间维度只是弦论里11维度中的3个维度而已。
其他维度,如自旋,电荷维度,引力维度,等等都是人为定义,为了描述微观粒子方便性,便于书写方程式所人为引入的。
弦论里的高维度就是我所说的维度。
是粒子物理学发展到一定阶段所必须引入的维度。
否则粒子物理学家没有办法写方程式来描述微观粒子的各种特性随时间的变化方程。
引入更多维度使得研究变得简单明了起来了。
你们看看弦论的方程式就知道了。
超正立方体的构思是为了让人们理解高维度(不是物理学维度)的一个例子,但这也恰恰把人们误导了。
以为高纬度的每个维度跟其他维度之间如三维空间一样都是垂直的。
这可以锻炼我们的思维跟想象能力,但对于研究物理学是没有任何意义的。
真正的物理学是研究物质运动特性。
这里的运动不只是空间意义上的运动。
也包括电荷变化,引力变化,强弱作用力变化,自旋变化,谐振变化都要描述。
这些都是物质的运动,是广义上的物质运动,如果研究微观粒子使用牛顿力学3维空间,所有物理学家跟数学家都要疯掉。
他们根本无法用一个 X,Y,Z,T来写出一个完美的方程式来描述微观粒子的各种运动属性。
比如说有人就提出了这样一个问题:既然木星是气态行星,那如果把木星上的气体全部吹走,会有什么结果呢?下面我们就来讨论一下。
首先要讲的是,所谓的气态行星并不是指全部是由气体构成的行星,而是指不以岩石或者其他类型的固体为主要成分、没有确定的固态表面的行星,也就是说,气态行星也是可以拥有固态核心的。
那么木星到底有没有固态核心呢?其实这个问题的答案也是科学家们很想知道的。
尽管以人类当前的科技水平,暂时还不能直接进入到木星深处去直接探索,但通过探测器在木星附近收集到的数据,我们还是可以间接猜测出木星的内部结构。
如上图所示,在探测器飞越木星的过程中,其发出的无线电信号会因为木星的引力变化而出现细微的多普勒频移,通过大量对照探测器的实际轨道和理论轨道的差异,就可以构建出木星的重力场模型,进而猜测出木星内部的质量分布。
科学家根据“先驱者10号”、“旅行者1号”、“旅行者2号”、“伽利略号”、“朱诺号”等多个探测器传回的数据猜测出,木星很可能存在一个由重元素构成的固态内核,其质量在地球的12倍至45倍之间注:这里的重元素是指比氢和氦更重的元素。
因此科学界普遍认为,木星应该有一个致密的固态核心,其外包裹着大量的氢和氦注:木星主要由氢和氦构成,其中氦占其质量的大约4分之1,其他的绝大部分都是氢。
由于随着深度的增加,木星上的物质会逐渐变得更热、也更致密,因此木星的结构应该是:最外层是气态的氢和氦,当深度增加到一定程度时,氢和氦就以液态存在,而在更深的位置,极端的压强会将氢原子中的电子“挤”出来,使得它们像金属一样可以导电,这种状态的氢也被称为“金属氢”,在此之下就是木星的固态核心大概如下图所示。
据此我们可以得出,木星上层的气体一旦消失,木星上的那些原来处于高压状态下的液态氢、液态氦以及“金属氢”都会因为失压而转变成气体,在这种情况下,如果把木星上的气体全部吹走,其结果就是木星会失去几乎所有的氢和氦,只剩下一个比原来小得多的固态核心。
值得一提的是,虽然我们人类目前并没有能力把像木星这样的气态行星上的气体全部吹走,但宇宙中那些能量巨大的太阳却可以做到。
从理论上来讲,假如一颗气态行星与其主太阳的距离太近,它的气体就会被主太阳不断地剥离,久而久之,这颗气态行星就会只剩下一个固态核心如果它有的话,科学家给这种奇特的天体起了一个奥秘的名字——“冥府行星”Chthonian planet。
有意思的是,我们有可能已经发现了一颗“冥府行星”。
这颗星球被命名为“TOI-849b”,距离地球大约730光年,由“凌星系外行星巡天卫星”TESS于2020发现,其主太阳被命名为“TOI-849”,是一颗与太阳相似的黄矮星。
观测数据表明,“TOI-849b”的体积与我们太阳系中的海王星差不多,但它的质量却大约是海王星的2.3倍,地球的39.1倍,密度约为5.2克/立方厘米,与像地球这样的岩石行星相当。
另一方面来讲,“TOI-849b”距离它的主太阳非常近,以至于其表面温度可以高达1530摄氏度左右,并且大约每18个小时,它就会完成一次公转。
所以我们可以做一个合理的猜测,“TOI-849b”曾经是一颗与木星相似的气态行星,后来因为某种原因迁徙到了距离其主太阳非常近的轨道,在此之后,它的气体就持续地被主太阳“吹”走,最终演化成了一颗“冥府行星”,而这也很可能就是木星上的气体被全部吹走后的结果。
好了,今天我们就先讲到这里,欢迎大家关注我们,我们下次再见。
比如在太阳系内,水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星就是属于行星,而冥王星,则和谷神星、阋神星、鸟神星等一起属于矮行星。
穿越木星在太阳系内,位于火星和木星轨道之间还存在着数以十万计的小行星,我们称为小行星带。
当然,我们人类最为关注的还是八大行星,我们根据八大行星的物理性状可以分为两类,一类是和地球一样具有固体表面,岩石行星,称为类地行星,包括水星、金星和火星。
太阳系示意图另外一类就是和木星一样,是有气体来组成的行星,在太阳系内包括木星、土星、天王星和海王星,这些行星和类地行星来比,通常具有体积和质量更大,但是由于是气体组成,所以往往平均密度较小。
那么,既然木星是气态行星,那么我们人类发射的航天器,包括宇宙探测器,或者将来有可能发射的宇宙飞船,能不能直接穿过木星?太阳系八大行星目前来看,人类发射的航天器很难穿越木星,我们这里假设我们从木星的中心穿过。
虽然木星是一颗气态行星,那只是表明木星的主要组成成分是气体,主要是氢和氦,从木星的结构来看,最外面是包围整个木星的大气层,充满着气体,而且在不停的运动之中,形成气体旋涡,比如著名的“大红斑”。
木星南极洲而在木星大气层之下,随着越往木星内部,压力越来越大,气体被不断压缩,形成了液态金属氢,这需要的压力相当于25万个地球大气压,我们要用什么材料才干承受这种压力呢?如果再往木星内部前进,到了木星的中心,我们猜测虽然木星是一颗气态行星,但是其中心是有一个岩石核心,由硅酸盐和铁来组成。
所以在物体状态下,木星内部的高温、高压,以及岩石内核都不支持航天器穿越它。
木星内部结构木星在行星分类上,是一颗气态行星,但是这里的气态,并不是我们地球上所想象的像我们的大气层一样的气体。
我们知道,就算是地球上的大气层,当天宫一号从宇宙坠落,经过大气层时,也会因为剧烈摩擦而燃烧,更何况是更为稠密的木星大气层,所以,以目前的人类技术,别说穿越木星,连木星大气层这一关都过不了。
木星探测器“朱诺号”人类的认知是有限的,我们只能在现有的条件下进行假设,就像农业社会时期的人类,也无法想象现在的互联网时代。
那么,我们说无法穿越木星,也是基于当前的认知,说不定在将来,人类科技进步,就能实现。
朱诺号发射升空