Неувязки с размерностью
В своей книге "Элегантная вселенная" Брайан Грин пишет следующее
В 1987 г. Шин-Тун Яу и его студент Ганг Тиан, работающий сейчас в Массачусетсом технологическом институте, сделали интересное математическое наблюдение. Используя хорошо известный математический прием, они обнаружили, что одни многообразия Калаби-Яу можно преобразовать в другие путем протыкания их поверхности и сшивания образовавшегося отверстия согласно строго определенной математической процедуре. Грубо говоря, они обнаружили, что внутри исходного пространства Калаби-Яу можно выделить двумерную сферу определенного вида.
(Двумерная сфера аналогична поверхности надувного мяча, который, как и все знакомые нам объекты, трехмерен. Здесь, однако, мы говорим только о поверхности, не учитывая толщину материала, из которого сделан мяч, а также пространство внутри него. Точки на поверхности мяча определяются двумя числами, «широтой» и «долготой», аналогично тому, как определяются координаты на поверхности Земли. Вот почему поверхность мяча, как и поверхность упоминавшегося в предыдущих главах Садового шланга, является двумерной.)
Приведу отдельно ключевую фразу:
Точки на поверхности мяча определяются двумя числами, «широтой» и «долготой». Вот почему поверхность мяча является двумерной.
В школе на уроках линейной алгебры нас учили иначе:
Число k называется размерностью линейного пространства L, если в L существует система из k линейно независимых векторов, а любая система из k+1 вектора — линейно зависима.
Обозначается dim L = k. Пространство L называется k- мерным. Иногда обозначается Lk.
И еще давали фундаментальное свойство - размерность остается неизменной при любых линейных преобразованиях пространства.
Следовательно, чтобы поверхность мяча была двумерным пространством, необходимо показать что она получена из плоскости в результате линейного преобразования. Но искривление пространства по определению является преобразованием нелинейным и Брайан Грин никак не сможет без искривления натянуть круг на шар. Придется и гнуть, и растягивать, и склеивать.
За этим утверждением автора просматривается некое лукавство, он как бы подтекстно говорит "Мы-то с вами знаем что поверхность мяча 3-мерная, но давайте прикинемся что она двумерная, математика ведь глупая, она не заметит".
В данном случае автор явно указывает что речь идет именно о математике, поэтому и возникло возражение. Но вопрос этот дискуссионный, дело в том что в дифференциальном плане автор прав, в любой точке поверхности мяча пространство двумерное, но интегрально все обстоит иначе - любая область на поверхности мяча 3-мерная.
Комментарии
Теперь на атмосферную физику переключился (с элементами экономики).
А в данном случае оказались спутанными понятия сферы как множества и линейного пространства. Сфера как таковая (любой размерности) является не линейным пространством, а гиперповерхностью. Т.е. одно условие в n-мерном пр-ве задаёт поверхность размерности n-1. Если же говорить о 2-мерной сфере, то она есть поверхность в 3-мерном пр-ве, определяемая, к примеру, связью R^2=x^2+y^2+z^2.
Я не знаю как эти мои соображения называются, но они передают наличие смыслового зазора между математикой и физикой, а значит и природой. Фактически, слепой ведет незрячего, а это очень скверно. Особенно сегодня, когда математика стала по сути единственными "глазами" физики.
Я потом сформулирую получше что такое физическое отображение, напишу отдельно.
Например, классическим (в смысле общеизвестным, а не "неквантовым") примером двумерных систем являются электроны на поверхности жидкого гелия и электроны в МОП (металл-окисел-полупроводник) системах. В обоих системах, электроны двигаются свободно в x-y плоскости, но находятся в одинаковом квантовом состоянии в z-направлении, а посему описываются двумерными уравнениями (и, например, могут образовывать двумерные кристаллы: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D0%B8%D0%B3%D0%BD%D0%B5%D1%80%D0%BE%D0%B2%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B9_%D0%BA%D1%80%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%BB )
Но даже здесь я не могу согласиться. Ни с вами, ни с автором книги. Функциональное пространство может, разумеется, состоять из нелинейных функционалов, но это будет выражаться лишь в определениях нормы и скалярного произведения. Т.е. в операциях, необходимых для определения пространства. Однако нелинейность функционалов, образующих пространство, не делает нелинейным само пространство. Здесь автор книги допустил вопиющую небрежность в терминологии. Хотя это никак не влияет на содержание, поскольку книга совсем о другом.
Кстати, то же самое относится и к касательному (а также сопряжённому) пространству, которое по определению может быть только линейным.
Сколько измерений у бутылки Клейна?
"Под топологией будем понимать учение о модальных отношениях пространственных образов, или о законах связности, взаимного положения и следования точек, линий, поверхностей, тел и их частей или их
совокупности в пространстве, независимо от отношений мер и величин"
Но мы же ведем разговор о размерности?
Петля Мебиуса одноповерхностная.
Какова ее размерность?
Тем не менее, булылка Клейна - четырехмерная, погруженная в 3-мерное пространство. В 4-мерном пространстве она не должна иметь боковое отверстие.
===
Согласен, но почему это так важно? Вы что-то знаете такое, чего не знаю я? читали описание самого Феликса Клейна? Приведите его, если не трудно, потому что мы явно говорим о разных объектах.
Мне непонятен предмет спора.
А что касается поверхности, то она одна и у бутылки, и у ленты. Не сторона, а именно поверхность.
Так все же сфера - это 2- или 3-мерный объект?
Это я вернулся к началу :)
В этом объекте нет никаких намеков на 4-мерность, и тем не менее вы упорно настаиваете. Объект имеется ввиду математический, не стеклянный )
Сфера - это 3-мерный объект, 3-мерная поверхность.
В самом деле, шар - это область пространства, ограниченная сферой. Но невозможно 3-мерное пространство ограничить 2-мерной поверхностью. По аналогии, круг - это область 2-мерного пространства, ограниченная 2-мерной окружностью. По аналогии же, отрезок - это область 1-мерного пространства, ограниченная 1-мерными точками.
Резюмируя. Граница области имеет ту же размерность, что и сама область, поскольку, вообще говоря, является ее частью.
Парой, не тройкой.
Представьте что вы двигаетесь по сферической поверхности, но не знаете что она сферическая, а думаете что это плоскость. Будет ли с вами происходить что-то необычное? Конечно будет, вы ощутите действие силы, непонятно откуда взявшейся. То есть, будет нарушаться 1-й закон Ньютона, а это явное указание на то что пространство имеет скрытое измерение.
То же самое себе представил Эйнштейн, и пришел к выводу что гравитация искривляет пространство. Но искривление возможно только в случае наличия некого скрытого измерения, поэтому к четверке измерений (x, y, z, ct) было добавлено пятое. Зачем? А чтобы не нарушался 1-й закон Ньютона - дополнительное измерение делает неинерциальную систему инерциальной.
===
не могли бы вы источник этой инфы дать? Я впервые об этом слышу. И не понимаю, почему искривлённость (неевклидовость) пространства требует наличия ещё одного измерения. Думаю, что вы что-то напутали.
А возвращаясь к предмету спора, то здесь, на мой взгляд, всё просто. Важно лишь условиться, о чём мы говорим: о математических объектах или о материальных предметах. Сфера в 3-мерном пространстве, будучи определённой как мат. объект, есть 2-мерная поверхность, и пространством уже никак не является. А сфера как предмет - да, она действительно 3-мерна, т.к. реальная поверхность, которую потрогать можно, всегда толщину имеет.
Это зависит от позиции наблюдателя - находится он вне сферы или на сфере.
Комментарий удален модератором
Уж не помню, где именно, но ещё Пуанкаре указывал, что адекватное описание движения в гравитационном поле может быть произведено выбором одной из эквивалентных гипотез:
1. эвклидово пространство + универсальная сила (гравитация)
2. неэвклидово пространство + универсальная сила
3. неэвклидово пространство (и нет никаких универсальных сил)
4. эвклидово пространство.
Как мы знаем, вариант 1) - это ньютоновская механика. Эйнштейновская ОТО - это вариант номер 3. Вариант номер 4 - не работает по определению. Рабочих вариантов по схеме 2 сейчас хватает. А эйнштейновский выбор (в.3) популярен прежде всего из-за простоты.
Пуанкаре считал, что выбор модели из этого списка есть лишь вопрос соглашения и его невозможно сверить с реальностью, т.к. все приемлeмые варианты равнозначны (эта точка зрения именуется сейчас конвенционализмом).
Дело не в толщине сферы. Любая пространственная поверхность задается уравнением F(x, y) = 0. Переменных две, и казалось бы что вы правы, поверхность 2-мерная. Но ведь F - это тоже своего рода параметр поверхности, это третья координата, и никакого значения не имеет что есть ее аналитическая зависимость от x и y. Мы же можем задать поверхность не аналитически, а таблично, и придется для каждой точки указывать 3 координаты - [x, y, z]. Но если точки фигуры лежат в 3-мерном пространстве то и сама фигура 3-мерная. Она может выродиться в плоскость, в кривую, в отрезок прямой и даже в точку, но 3-мерной она не перестает от этого быть. Вполне можно сказать что даже плоская фигура в пространстве, вообще говоря, 3-мерна. Но как частный случай ее можно рассматривать как 2-мерную, если систему координат особо сориентировать.
===
Искривленность бывает двух типов - метрическая и топологическая. Если искривлена метрика пространства, то мы этого даже не заметим, ведь мы сами будем искривлены и наши измерительные приборы тоже, они не позволят обнаружить искривление.И ни один закон механики не будет нарушаться. А вот если испорчена топология, если пространство искривлено по вектору скрытого измерения, то законы механики поплывут. Да и не только они, ни в одной проекции реального пространства не будет работать привычные нам законы физики, в первую очередь законы сохранения. Энергия будет уходить из замкнутой системы, потому что она не замкнута на самом деле, просто мы этого не знаем. Отсюда вывод - наше пространство на самом деле 3-мерно, это не 3-мерная проекция 4-мерного или 11-мерного пространства.
К слову, если задавать поверхность в 3-мерном пр-ве уравнением F(x,y) = 0, т.е. без участия z, то это будет не сфера, а цилиндр вдоль z :-)))
А кроме того, я не могу себе представить "искривление по вектору скрытого измерения". Если этот вектор хоть как-то присутствует в имеющемся пространстве, то никакое это измерение не скрытое. Но я вполне допускаю, что вы что-то другое хотели сказать, чего я пока не понял.
Я читал про пространства с компактифицированными измерениями, но это другое. Это вовсе не скрытые измерения, а вполне реальные. Другое дело, что все физические объекты имеют очень малые размеры по этим измерениям. Сродни иголке, которая вроде как 3-мерная, но такая тонкая, что её с большой точностью можно описывать как одномерный объект.
"Цилиндр и конус - надстройка" ... а сфера и куб - это что? "ненадстройки" - не устраивает. Если вы считаете что эти объекты принадлежат разным топологическим классам, то назовите оба эти классы.
А радикал для сферы не нужен, её можно в квадратах записать.
Это я уже занудничаю :-)))
Но получается не очень - все же не математик :)
===
И правильно делаете, значит тема зацепила. Мне тоже нравился курс векторного и тензорного анализа, хотя Борис Дмитриевич нам сразу честно сказал - эти знания вы никогда в жизни не будете использовать )
Ну что ж, занудничать - так занудничать. Почему в выражении F(x, y) использована буква F, а не A и не R? Да потому что это первая буква слова "function", и запись "F(x, y)" обозначает форму - функциональную зависимость. Это не выражение, а форма, калька, абстракция 2-го рода, формализованная форма. Вместо которой можно подставить любую реальную функцию. То есть, можно записать F(x, y) => "z = xy". Если вам знакомо понятие "макрос" в программировании, то F(x, y) - это именно он.
А радикал для сферы не нужен, её можно в квадратах записать
===
Тогда так: z^2 = R^2 - x^2 - y^2. Но это уже не F(x, y)
===
А вы вспомните как портят вещи - их разрывают на куски или дырку делают. Если в пространстве сделать дыру, то оно утратит односвязность, и станет неголоморфно исходному.
Если этот вектор хоть как-то присутствует в имеющемся пространстве, то никакое это измерение не скрытое. Но я вполне допускаю, что вы что-то другое хотели сказать, чего я пока не понял.
===
Попробую иначе сказать. Преобразование N-мерного пространства N-мерной же матрицей - это всего лишь масштабирование. Пусть и неравномерное, с любыми завихрениями, но оно не способно породить новое измерение. То есть, преобразование пространства не может повлиять на его размерность. Такое преобразование может нарушить количественные соотношения, но оно не способно нарушить физику.
А скрытое измерение нарушает базовые принципы, то есть рушит саму физику, качественно ее меняет. Например, пусть есть некое распределение температур газа. Если мы не будет его учитывать, то у нас нарушится базовый принцип физики - однородность и анизотропность пространства-времени, и как следствие, поплывут законы сохранения.
А когда вы говорите о макросе, то имеется ввиду, что F(x,y) = z = xy. И для практической реализации совершенно без разницы, как толковать z, как дополнительную размерность, или как число, вычисляемое по заданному правилу. Можно ведь и так переписать: F(x,y,z) = z-xy = 0. Разница лишь в терминологии.
===
Если математику рассматривать вообще изолированно он всего прочего (забыть про мышление, про природу, про все), то дело обстоит именно так, как вы говорите - ничего кроме манипулирования нет. Но 4-мерная природа качественно отличается от 3-мерной, и под словом "природа" я не ежиков и цветочки имею ввиду, а фундаментальные механизмы Вселенной.
мы уже почти по кругу идём и новых толкований в теме уже не предвидится. Как мне кажется, обсуждение в любом случае было полезным, но особого смысла продолжать его пожалуй уже нет. Разве что новая идея возникнет. Но в этом случае будет лучше и новый пост сделать.
Цилиндр - надстройка над пространством, ограниченным заданным радиусом.
Конус - это цилиндр с одной из граней, стянутой в точку.
===
Кавычки забыли, а они тут важны, F(x, y) => "z = xy". И это не равенство, а соотношение иного рода, его можно назвать "заменяемостью", "подставляемостью". То есть, при переходе от концепции к реализации вместо F(x, y) можно писать z = xy. Но не только это, можно писать и R = 1/x - y + 1.
Разница лишь в терминологии.
===
Терминология есть инструмент, она - средство достижения взаимопонимания. А оно у нас с вами в том, что при записи F(x, y, z) = 0 все размерности имеют одинаковый статус, относятся к одной категории. А при записи z = F(x, y) (примем вашу форму) z - это функция, а х и у - ее аргументы. Почему это важно? Потому что пространственная поверхность есть некая переходная сущность между 3-мя и 2-мя измерениями. Это не объемное тело, но и не плоское, поверхность - это граница объемного тела, она имеет внутреннюю связь и с объемом и с площадью. По идее, ей надо установить размерность 2,5
Но это уже "философия" пошла )
Как только свежая мысль посетит, так сразу напишу пост )
Я это вам, по-моему, не первый раз говорю, а уже 21-й )
===
Об этом "сказала" парадигма процесса познания.
Физика - это не просто множество знаний о природе, ученые не только изучают Вселенную, но и строят "здание науки". У этого "здания" есть фундамент, и он устроен определенным образом. В самом низу лежат "базовые принципы", на них стоят фундаментальные законы, а дальше идет все остальное.
Базовые принципы выражают не произвольный, а экстремальный порядок вещей. В физике нет принципов типа "у всех животных 2 уха", это биологи так ведут процесс познания. В базе всей механики лежит "принцип наименьшего действия". Оно именно "наименьшее", а не кратное трем или пяти. И следуют из этого принципа "законы сохранения". По сути - это список инвариантов Вселенной. Прелесть инвариантов в том, что они абсолютны, а не относительны.
Поэтому, если предположить, что мы находимся в такой 3-мерной проекции, что в ней существуют инварианты, а в исходном 4-мерном пространстве эти инварианты отсутствуют, то следствием будет не то что наша физика неправильная, а что наша логика неверна. Иначе говоря, а том "4-мерном пространстве" не может существовать науки вообще
Мы строим парадигму науки исходя из информации, получаемой нами из окружаюшего мира.
При этом мы не можем не осознавать, что эта информация всегда является неполной: чем шире круг нашего знания, тем шире и граница познанного, а следовательно - и граница незнания.
Наша логика - порождение нашего сознания со всеми присущими ему достоинствами и недостатками. Откуда уверенность в том, что наша логика абсолютна?
Что есть Бог? Если отбросить представление о восседающем на облаке благообразном старце, то остается предположение о некоем Творце, обладающем сверхразумом.
У сверхразума должна быть сверхлогика - каким законам она подчиняется? Как соотносится с нашей логикой? Может быть, именно поэтому "неисповедимы пути Господни", что наши логики несовместимы? Может быть, это отголоски наблюдений людьми действий существа, воспринимающего мир с большей размерностью?
Муравей, бегущий по краю тарелки, уверен, что бежит по прямой... :)
===
Муравей может и уверен, ибо ему только на веру и остается полагаться из-за крайне низкого IQ. ) Но его мозг точно знает что движется по кривой, он снимает объективные данные о внешних силах и вносит коррекцию в управление мышцами. А иначе бы муравей свалился с тарелки.
На данном этапе развития цивилизации, Бог уже принципиально не может сидеть на облаке. Это представление было популярно в пору язычества, тогда боги имели ту же природу, что и предметный мир. Сейчас Бог есть "дважды трансцендентное" - он находится вне нашего тварного мира и имеет иную природу, чем его творения. До него добраться нельзя, он за барьером бытия находится, но даже если мы туда доберемся (что невозможно в принципе), то не сможем с ним никак взаимодействовать, потому что он иной во всех отношениях.
Наука вопросами веры не занимается, она исследует природу, и пока нет никаких указаний на существование скрытых измерений. Это достаточно объективное мнение, вы просто рассматриваете глаза и уши отдельно от мозга, а если говорить о полной системе восприятия, то она вполне адекватна.
И продолжает формироваться сегодня.
А у муравья нет органа, способного отличить кривую от прямой. Он ведь ориентируется преимущественно на обоняние, и мозг его состоит из обонятельных долей в основном :)
Будь наша атмосфера непроницаема для видимого света, мы имели бы другой орган зрения.
Орган равновесия у насекомых устроен по-разному, но вот у муравья он способен воспринимать исключительно направление гравитации.
Проще говоря, муравей понимает "вверх-вниз", и только.
----------------------
Вот "материалистическое" доказательство 2-мерности покрышки 3-мерного мяча. Как найти объём мяча? Нарисуйте на покрышке пчелиные соты. А потом сложите объёмы пирамидок с вершиной в центре мяча и имеющих основаниями соты. Высота пирамиды добавляет одну размерность... Дальше, надеюсь, можно не продолжать.
Развивается подход к понятию размерности, основанный на идее метрической зависимости и связывающий понятие размерности с законами сохранения. В приложении впервые на русском языке публикуется статья Эренфеста 1917 г. о трехмерности пространства.
Для специалистов, интересующихся историей становления я современным состоянием пространственно-временного описания в физике.
-----------------
Кстати, в Рукипедии, похоже, нет статьи размерность.
А по размерности такой вопрос. Пространственная поверхность задается функцией двух переменных F(x, y). Какова размерность этой функции?
2. Я ведь давал вам ссылку и наводки. Книга вас не устроила?
Вот ещё ссылка. В статье из детского ж-ла "Квант" читайте после абзаца:
"Но оснвным вкладом Урысона явилось построение им теории размерности..."
http://kvant.mccme.ru/pdf/1998/03/kv0398urison.pdf
"Индуктивное определение размерности наметил А. Пуанкаре (1912). Первое точное определение размерностной функции было сформулировано Л.Брауэром (1913). Теория размерности была основана К.Менгером и П.С.Урысоном. Определение размерности ind было сформулировано П.С.Урысоном (1922) и К.Менгером (1923). Определение размерности Ind было сформулировано Е.Чехом (1931). Лебегова размерность была определена Е.Чехом (1933) в классе нормальных пространств, и ее определение отталкивается от теоремы Лебега «о мостовых». М.Катетов (1950) модифицировал определение, что дало возможность распространить размерность dim на класс тихоновских пространств"
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие
Глава 1. Предыстория. Понятие числа измерений на протяжении двух с половиной тысячелетий
Глава 2. Возникновение топологического понятия размерности и физика
2.1. Творчество Пуанкаре в история понятия размерности
2.2. Определение понятия размерности
2.3. Размерность физического пространства и Пуанкаре
2.4. Гипотеза квантов и понятие размерности пространства-времени в 1912 г.
2.5. Топологическая теория размерности
Глава 3. Теория относительности Эйнштейна и размерность пространства-времени
3.1. Топология и метрика пространства-времени в теории относительности
3.2. Координаты и теория относительности
3.3. Сингулярности пространства-времени и координаты
3.4. Эйнштейн и четырехмерность пространства-времени
3.5. Дискретность в квантовой физике и непрерывность четырехмерного пространства-времени в ОТО
Глава 4. Физический статус понятия размерности пространства, выявленный Эренфестом
4.1. Трехмерность пространства и фундаментальные законы физики
4.2. Какой должна быть n-мерная физика?
4.3. Предпосылки работы Эренфеста
4.4. Работа Эренфеста о трехмерности пространства и Эйнштейн
Глава 5. Квантовые границы классической геометрии ОТО
5.1. Рождение планковских величин
5.2. Гравитация и кванты
5.3. Рождение квантовой гравитации и М. П. Бронштейн
1. Краткая биография
2. Теория гравитации в работах Бронштейна
5.4. "...принципиальное различие между квантовой электродинамикой и квантовой теорией гравитационного поля"
5.5. Планковские величины и квантовая гравитация
5.6. История теоретической физики и константы c, G, h
Глава 6. Проблема размерности и метрическая структура пространства-времени
6.1. Локальная структура пространства-времени и идея фундаментальной длины
6.2. Физическое пространство-время и топология. Соотношение метрических и топологических структур
6.3. Метрика, мера, размерность и проблема расходимостей
6.4. Определение размерности, основанное на метрике
Глава 7. Размерность пространства-времени и симметрии пространственно-временного описания
7.1. Десять симметрии пространства-времени в СТО и четырехмерность
7.2. Принцип соответствия и пространственно-временные симметрии
7.4. Размерность риманова пространства Rn и квазигруппа Пуанкаре qPRn
1. Понятие размерности, выраженное на метрическом языке, и метрические координаты
2. Квазигруппа Пуанкаре
3. Случай геометрии Минковского
4. О пространственно-временных законах сохранения в ОТО
Глава 8. Понятие размерности пространства-времени и современная физика
8.1. Об эволюции взаимоотношений геометрии и физики
8.2. О выделенности значения размерности, равного 3+1
8.3. Экстремальные состояния вещества и космология ранней Вселенной
1. Происхождение реликтового излучения и квантово-гравитационная космология
2. Единицы для квантово-гравитационной космологии
8.4. Космология ранней Вселенной и размерность пространства
1. Проблема горизонта и размерность пространства в ранней Вселенной
2. Возмущения плотности в n-мерной Вселенной
3. Меняющаяся размерность пространства в космологии ранней Вселенной
Заключение
Литература
Указатель
http://maxpark.com/community/6468/content/3239273
http://maxpark.com/community/4061/content/2133404
http://maxpark.com/community/4061/content/2162495
http://maxpark.com/community/4061/content/2196080
В последнем случае не придирайтесь к неактуальному герою метафоры и к чужому, но наглядному финальному примеру.
Т.е. авторы книги всё верно пишут, а читатель, интерпретирующий прочитанное, излишне свободно оперирует понятием пространства. Оттого и получилась путаница.
В алгебраическом смысле я говорю о пространстве, о размерности пространства и о линейном преобразовании пространства. А сфера, как математический объект, находящийся в преобразуемом пространстве, тоже косвенно преобразуется. Матрица действует не на сферу, а на пространство, а точки сферы двигаются вместе с точками пространства. Это уже не алгебра, а логика )