宇宙空间是怎么样的一种存在?
三体里有一种飞船叫曲率飞船,曲率飞船用一种特殊的引擎驱动,能够改变飞船前后的空间曲率,从而使得飞船前面的空间曲率跟后面的空间曲率不一致。
由空间曲率的吸引力驱动飞船,理论上飞船能达到接近光速的速度。
这种曲率飞船是否是依据现有理论而推理出来的一种技术,还是作者纯粹想象出来的呢?
《三体》是一本科幻小说,科幻小说都是根据现有的科学基础上进行合理的设想的,并不是纯属虚构的小说。
科幻小说最重要的一点就是要“逻辑自洽”,也就是说现阶段可以没有这种技术,但是这种技术必须根据现有技术能够合理推导出来。
那曲率飞船这个技术到底是什么,用现有的科学技术怎么样才能合理推导出来呢?
这其实可以从我们学习的最基本的几何知识开始说起。
在中国,正常的学生都是从初中开始学习几何,我们称之为“欧几里得几何”,也就是欧氏几何。
欧几里得几何其实就是一名叫欧几里得的希腊数学家在自己的著作《几何原本》中提出的知识。
《几何原本》是欧洲的数学基础,为了纪念欧几里得的贡献,因此叫欧几里得几何。
欧几里得在《几何原本》里面首先就提出了五大公设,也就是现在所说的五大公理,意思是说大家公认的定理,是显而易见的。
这五大公理分别是:
公理 1:任意一点到另外任意一点可以画直线
公理 2:一条有限线段可以继续延长
公理 3:以任意点为心及任意的距离可以画圆
公理 4:凡直角都彼此相等
公理 5: 同平面内一条直线和另外两条直线相交,若在某一侧的两个内角和小于二直角的和,则这二直线经无限延长后在这一侧相交。
这五大公理中的前4条都是很简单的描述,显而易见。
而第五条公理则显得很繁琐,而且还带有假设,跟前四条公理相差特别大,是那么的鲜明出众,就像漆黑中的萤火虫一样。
后世的数学家 约翰·普莱费尔 就将第五条公理简化为: 给定一条直线,通过此直线外的任何一点,有且只有一条直线与之平行。
通过欧几里得前四个公里可以经过严密的推导,可以得出一系列逻辑严密的结论,现代数学的基础很多就是从此而来。
可是这第五公理却让很多数学家一筹不展,因为他们怎么都不能直接证明第五公理的正确性。
因此,第五公理一度被数学家们称为不可证明的公理,被誉为欧式几何的“家丑”。
人类的真理的追求是无穷尽的,面对这个几何的家丑,很多数学家都不太服气,非要证明不可。
到了19世纪之后,当时的俄国出了一位天才数学家罗巴切夫斯基。
罗巴切夫斯基19岁就获得了俄国喀山大学的硕士学位,并在35岁成了喀山大学的校长。
俄国的喀山大学是俄国最好的高等学府之一,相当于我国的清华北大在中国的地位。
这位俄国的天才数学家当然也对几何的家丑——第五公理耿耿于怀。
在经过多方尝试证明第五公理失败之后,罗巴切夫斯基开始使用反证法来进行证明。
就是,先假设: 给定一条直线,通过此直线外的任何一点,有至少两条直线与之平行。
然后根据这个假设的公理与前四条公理经过严密的逻辑推导,竟然推导出一套全新的毫无矛盾的结论。
其中还有跟欧几里得相反的结论:三角形的内角和小于180 。
要知道,在19世纪的时候,数学界是欧氏几何一统天下的时候,欧几里得几何就是当时数学界的权威。
罗巴切夫斯基的这一套结论在当时绝对是惊世骇俗的存在。
有时候人们对科学的信仰和对神的信仰是一样的,都是盲目的。
对此,罗巴切夫斯基并没有任何害怕,而是直接将自己的这一套理论公布于众,后世称之为“罗氏几何”。
罗巴切夫斯基想到过世界不会给他多少赞美,只是没想到的是,没有赞美就算了,世界对他的嘲讽居然来得如此激烈。
科学界对他进行批评,数学界对他进行嘲讽、连媒体也对他进行双标,相当于在现代遭到“网爆”一样。
当时俄国有一著名杂志《祖国之子》,这杂志只允许有人在杂志上谩骂罗巴切夫斯基,却不允许他本人在杂志社还击或者辩解。
而喀山大学更是剥夺了他作为校长的权力,让他不再担任校长。
当然,罗巴切夫斯基也曾经向俄国之外求助,毕竟他证明的理论都是正确的,他相信这世界上还是有人相信真理的。
于是他向当时德国的数学王子高斯求助。
其实数学王子高斯当时确实也发现了跟罗巴切夫斯基差不多的结论,可是高斯是个聪明人,不希望在有生之年被人无尽地嘲讽,想要继续做一个快乐的王子,所以选择了默默地写在笔记了,没有公开发表。
高斯唯一做的就是 推选罗巴切夫斯基为哥廷根皇家科学院通讯院士,并没有公开支持罗巴切夫斯基。
最终,罗巴契夫斯基在无尽的嘲讽中加上老年丧子之后于 1856年 抑郁而终。
真理是不可能被埋没的。
到了罗巴契夫斯基死后十二年,意大利数学家 贝特拉米 发表了一篇著名论文《非欧几何解释的尝试》,证明 非欧几何 可以在欧氏空间的曲面上实现。
从此罗巴契夫斯基在舆论界彻底翻身,直接变成了数学界的“哥白尼”!
这世界真是善变。
前面说了欧氏几何黎曼的第五公理是: 给定一条直线,通过此直线外的任何一点,有且只有一条直线与之平行。
罗氏几何则假设: 给定一条直线,通过此直线外的任何一点,有至少两条直线与之平行。
那么,有没有这样一种可能: 给定一条直线,通过此直线外的任何一点,没有直线与之平行呢?
别说,还真有!
1854年,高斯的学生黎曼就对第五公理进行了这样的假设,他认为平行线是不存在的。
也就是说,过直线外一点不可能找到一条直线与之平行。
根据这一点,黎曼另外推导出一套全新的理论,并发表在自己的论文《 论几何学作为基础的假设 》上。
从此几何界又有了全新的领域。
不过黎曼很幸运,身在德国的他并没有受到嘲讽,反而这套全新的理论很快就被当时德国的科学界承认了。
并以此为基础发展出微分几何、代数拓扑学、多复交函数等数学学科,还被爱因斯坦用于广义相对论的理论当中。
黎曼几何里面有一个比较重要的概念,即“常曲率空间”。
常曲率空间有三种情形,小于零、等于零和大于零。
这三种情形分别对应的就是欧氏几何、罗氏几何和黎曼几何。
这样一来,几何家族就正式完美组成,能够合理解释各种各样的情形。
现在科学界一般分为欧氏几何和非欧几何,欧氏几何就是欧几里得几何、而非欧几何是罗氏几何和黎曼几何的合称。
欧式几何适用于日常生活中的应用,罗氏几何则应用于宇宙空间和微观的原子空间,而黎曼几何应用于地球表面的航海、航空的实际问题中。
不知道大家发现没有,其实我们生活中看到很多平面,看起来好像就是绝对的平面,平得不能再平。
可是实际上并不是平的。
比如水平面,我们建设的高楼大厦中的平面。
貌似都是平的,其实只是垂直于地心,是圆的,只是曲率小到可以忽略不计当成平面来看待。
在地球上,在宇宙当中,相对于平面来说,圆形的东西(包括椭圆)其实才是常态。
原子是圆形的,围绕原子运行的电子也是圆形的,地球是圆的,地球围绕太阳公转的轨道也是圆的。
不仅如此,太阳也是圆的,太阳系围绕银河系中心的转动也是圆的。
整个银河系,如果在转动的话,其轨道应该也是圆的。
从微观粒子到宏观的宇宙层面基本都是圆的,很少会有所谓的绝对平面存在。
1915年,爱因斯坦的广义相对论正式完善,爱因斯坦场方程正式发表。
根据爱因斯坦的广义相对论,引力是时空弯曲引起的。
我们知道,任何物体之间都是相互吸引的,也就是说任何物体之间都有引力。
所以在宇宙中,无论你身在何处,其实都是处在引力场之中。
而引力场之中的时空都是弯曲的。
文章开头所说的曲率飞船就是基于这样的一种理论而设计出来的。
通过某种手段,改变飞船前后弯曲时空的曲率,让飞船前面的时空能够吸引飞船往前走。
这样在理论上可以让飞船以接近光速的速度前进。
且根据爱因斯坦的时空谬论,坐在曲率飞船上的人因为速度接近了光速,飞船内的时间就会变慢。
从此宇宙穿梭变得不那么费时间,可以用很少的时间到到遥远的宇宙深处。
以上是我对于曲率飞船和宇宙的一些看法,你们有没有其它想法呢?