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9 Z6 E8 `( J) X. f, n1 v分形理论对时空问题的启示和应用
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3 @$ m' f/ t. B$ U 付昱华: C2 a+ C( G4 e- \% a4 T& S
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(中国海洋石油研究中心,北京4728信箱,100027)+ x7 U6 \7 D, Z: p" A+ \' i" b
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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。
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1 W" V+ e: U2 Z: j" B' K3 B 关键词 分形理论,变维分形,三维空间,三维时间
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3 v+ z& n6 q4 {4 Q$ q 0 前言
6 v9 _4 w3 M }8 C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。
7 l7 r5 k4 L! M ?# g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。
, X: F0 c5 ]2 N2 _: j4 m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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, c; E8 E. x5 k! m p 1 分形理论的启示
' o5 s% u3 Y4 L: Y5 U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。
: o% a6 H1 I9 c! ~) ?- u3 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。
- a" Z" \! @% |7 q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。
5 i$ ~6 _: D' D( c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。
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