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8 I9 _/ s2 O' k, H1 m: B3 y3 ?分形理论对时空问题的启示和应用* P+ _, l, s3 G9 M! z9 A: E
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% @$ I$ h# X1 P7 ? 付昱华
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. P& i: R# i- Q! N8 J6 I9 B1 g# ] (中国海洋石油研究中心,北京4728信箱,100027)' q' V. T3 j2 t# e! U- l$ |4 n, P
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- G9 u- \5 K. y# L$ f' j 摘 要 一般认为,空间是三维的,时间是一维的。然而根据分形理论关于自相似性和相似性的观点,时间也应该是三维的。应用相对论中的洛伦兹变换,导出一种特殊情况下三维时间的具体形式,并将其改写为变维分形的形式。文中实例表明,建立多维时间的框架,不仅是可能的,在某些情况下也是必须的。+ [0 M' @5 b; n( V. ?2 ~
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4 [. K( C& h# o# Q, p 关键词 分形理论,变维分形,三维空间,三维时间
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! ^/ }& d( p% F! q 0 前言 4 Y- X/ Z# y8 F% C" r
时空理论的发展,走过了一条艰难曲折而又漫长的路。最初由牛顿建立了绝对空间和绝对时间的理论。这种时空观认为空间是个刚性的框架,而时间是均匀流逝着的。时间与空间均不受任何物理过程的影响。以后建立的相对论,提出了四维时空连续区的概念。即任何一个物理事件都对应着四个数字:其中三个表示事件的地点,一个表示事件的时间。爱因斯坦认为大量事件的总体构成一个四维时空连续区域,时空的性质与物体运动有关,其中包含着时间和空间不再是绝对的和彼此之间相互独立的含义。随着量子理论的发展,又提出了时间和空间是事物之间的一种次序的观点。
! w4 n/ S/ s9 z2 }尽管时空理论在不断发展,但是有一种观点始终未变,即一般认为,空间是三维的,时间是一维的。
: t1 i+ q/ Q9 m) d时间是一维的观点,令人想起了欧几里德几何学的第五公设:过直线外一点只能做一条其平行线。如所周知,只能做一条平行线的观点早已被非欧几何所突破。既然如此,时间是一维的观点是否也应该突破呢?本文对此进行初步探讨。
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) g. c7 u) h3 l# n7 V# ` 1 分形理论的启示 ) [' ]; E7 }% S
分形理论自1967年问世以来,虽然只有短短几十年的历史,然而已在一些领域获得成功应用,它被用来揭示复杂现象中深藏的有组织结构。许多科学家预言,在21世纪之中,无论是自然科学领域还是社会科学领域,应用分形方法都将取得重大成果。分形理论的特点是引入了分维数的概念。在传统的几何学中,维数为整数,例如点为0维,直线为1维,平面为2维等。而在分形方法中,分维数D突破了整数的限制,例如海岸线的分维数D值可以取为1.02,1.25等。在原有的分形理论中,分维数为常量,这种分形分布在双对数坐标上就是一条直线。
. m( D0 [, i6 G" ?+ w分形方法揭示的有组织结构的特征之一是自相似性。例如,从飞机上拍摄的山地照片,与碎石堆的照片,以及显微镜中粗糙岩石表面的照片,是极为相似的,有时根本就无法区分。再如,将海岸线的照片,与其放大1倍,2倍,5倍的照片放在一起,从其曲折的特征上看,也是无法区分的。另外,对于同一段海岸线,如果分别用1m,0.5m,0.2m,0.1m的尺子测量其长度,则测量的结果是不一样的,尺子越短,测量的长度越长。上述自相似现象,在许多领域中都可以发现,因此他们都可以用分形方法来统一处理。
$ j: {! m" Y4 c) ~值得注意的是,分形理论中有关“自相似性”的结论还可以产生有关“相似性”的结论。“自相似性”指的是局部和整体的相似。既然每个局部都与整体相似,那末局部与局部之间就是相似的。
4 y0 h E- ?- w0 ]+ }' \根据分形理论关于“局部与局部之间相似”的启示,如果将时空作为一个整体,时间和空间各作为一个局部,那末时间和空间就应该是相似的。既然如此,空间是三维的,时间也应该是三维的。 3 y& n: o, q4 o5 |8 j$ B! f
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(待续)
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