不要混淆一个事物(一个“流形”)的维度和它可能嵌入的空间的维度。
细线是一维的。单个坐标就可以定义其长度。即使将线卷成一个环,这也不会改变。当然,你可以将这个环嵌入到二维空间中,但这不是必需的,而且也不会改变细线上坐标的标记方式。
同样,你可以拿一张纸,并用一对坐标表示它内部的点。但把那张纸卷起来形成一个圆柱体并不代表你突然就需要三个数字了。当然,这个圆柱体是嵌入在三维空间中的,但这与纸张本身的固有属性无关。
其实你问的是一个在爱因斯坦之前几十年,随着黎曼几何的发展而得到回答的问题,即:内禀曲率与外曲率的区别。
是的,两种类型的曲率。
比如说,当你用一张纸包裹一个圆柱形的东西时,就会产生外曲率。这可以在不使纸张发生形变的情况下完成。如果你先前在那张纸上画了一条5厘米长的线段,那么即使纸被卷在一个圆柱体上,它仍然是5厘米。
但是你无法在不撕破或折叠的情况下,用一张纸完美无缝地包裹住一个球形的东西。除非,你使用类似橡胶材质的东西,它可以伸展和变形。但当你拉伸橡胶并使其变形时,距离就会改变。拉伸的结果是,你在橡胶上画的5厘米线段可能变成了6厘米长。
生活在那张纸上的二维生物是不会知道纸缠绕在了一个圆柱体上的,因为在它的二维世界里没有任何东西会发生改变。为了看到外曲率,它们需要知晓第三个维度。相比之下,生活在橡胶片上的二维生物会察觉到异常,因为它测量的长度会发生变化。因此,即使在不涉及更高维度的条件下,内秉曲率也是可测量的。
当我们在物理学中谈到时空曲率时,指的总是内禀曲率。定义它不需要参考更高的维度,只需要测量距离如何因弯曲而改变,比如在引力的作用下,点(事件)之间的距离(时空间隔)有什么变化。
当然,把我们的四维时空嵌入一个更高维的空间是可能的。但总的来说,这是不必要的。 |