坐标选择与局部拓扑

En résumé (grâce à un LLM libre auto-hébergé)

  • 本文讨论了在描述几何结构时选择坐标系所涉及的风险。它强调了局部拓扑结构(如球形或环形)在解释中的重要性。 文章指出,若拓扑结构不匹配,极坐标或球坐标可能导致错误。例如,在坐标选择不当的情况下,可能出现虚数解。 本文还探讨了局部超环形拓扑的可能性,这可能会改变我们对黑洞和时空的理解。
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使用坐标系可能带来的问题。

...我们将讨论在几何解上强行套用坐标系所引发的风险,即用特定坐标系来表达该解:前提是这个坐标系必须是合适的。当我们观察上述几何结构时,假设该几何结构是某个场方程的解,采用(r, q)坐标系的前提是其拓扑结构“在局部上呈球形”(当然,这是在二维情况下)。也就是说,在以这个假想的几何中心为圆心的任意圆内,总可以内接一个更小的圆,直到这个圆收缩为一个点。数学上,我们可以说,任意半径为r的圆都界定出一个“可收缩的胞腔”。

...在三维情况下,局部上宇宙将呈现“俄罗斯套娃”式的结构。在任意一个球体内部,总可以内接一个表面积更小的球体。在三维中,这体现为一种局部球形的拓扑结构。

是否可能不是这样?

是的,如果表面的拓扑结构是“局部环形”的。在二维情况下,情况如下:

...注意:上图中的对象是一个二维表面,因为需要两个参数才能确定其上某一点的位置。从这个意义上说,一条曲线是一种“一维表面”。当几何学家提到圆时,他会使用“S1球面”这一术语,即“一维球面”:在一条一维对象(曲线)上,仅需一个参数(坐标)即可确定某一点的位置。S2球面(普通球面)和S1圆面(一维球面)有一个共同点:它们都是“封闭的”对象(这一概念当时是从拓扑学借用的)。

...用于定义空间中某一点位置的量的个数,正是该空间“维度”的定义。因此,我们将时空(x, y, z, t)视为一个四维超曲面,因为需要四个量才能确定一个点(即“事件”)的位置。

关于“维度”概念的说明到此结束。

...我们必须始终牢记一点:构造某个场方程特定解的几何学家是盲目的,他无法“看见”自己得到的几何对象。他只能通过测地线来探索它,并在特定坐标系中描述这些测地线。前面提到的极坐标,对应于表面与一组同轴圆柱面的交线:

以及一组通过这些圆柱共同轴线的平面的交线。

在三维情况下,这相当于空间与一组同心球面的交线。

...但如果用一组同心圆柱面去截这个具有管状桥接结构的表面,会发生什么?只要圆柱面与表面相交,一切正常。但当圆柱面的周长小于“喉部圆周”时,这些截线就变成了……虚曲线。设喉部圆的周长为p,将其对应到一个长度Rg,使得p = 2πRg。

...显然,所有满足r < Rg的圆柱面都不会与表面相交。当几何学家试图研究r < Rg区域的测地线形态时,他将发现一些几何对象是虚的。

...当我们求一条直线(例如x = x₀)与一个圆的交点时,若直线确实与圆相交,则会得到两个实数解(y值);否则,这两个解就变成纯虚数。

...如果一个人在黑暗中探索一个表面,无法感知其“形状”,又不知道其拓扑结构是“局部环形”的,他可能会感到极度困惑。

这个表面可以用两组曲线来标记:

...每条曲线由一个参数定义。点M是这两条曲线的交点,由两个量(a, b)唯一确定,即通过M的两条曲线的参数值。

...第一组由非测地线的圆构成(只有喉部圆是测地线),第二组由与这些圆正交的双曲线型测地线构成。这些双曲线形状的曲线让人联想到下坠轨迹,能够从一个曲面“跃迁”到另一个曲面。

...显然,在三维空间中也可能出现类似情况,即局部呈“超环形”拓扑。此时,圆被一组球面取代,其中包含一个“喉部球面”,其表面积最小。与这组球面正交的轨迹线构成下坠路径,可穿越这个超环形隧道,并从另一侧的三维曲面(或“页”)重新出现。

...这一说明并非无的放矢。当我们检验黑洞模型时,将有机会再次回到这一点。事实上,在该模型中,当进入“视界球体内部”时,粒子的质量会变成……纯虚数(这还只是众多奇怪现象之一)。此时我们有理由质疑:我们是否仍在时空超曲面上?所采用的特定坐标系(t, r, θ, φ)暗示了一种“局部超球形”拓扑结构(存在一个径向坐标r,其值可小于史瓦西视界球体的半径),这种选择是否合理?

几年前,一位著名的天体物理学家曾写道:

  • “我们现在对黑洞内部有了更多了解。”

但若黑洞真的存在,它们是否有“内部”?还是说它们实际上对应于一种局部超环形拓扑?

...由此可见,坐标系的选择可能带来多么深远的影响。几何解本身是存在的,它拥有测地线。但我们“解读”这一切,只能通过将其投射到我们心理想象的“空间”中:一个欧几里得时空,甚至都不是相对论性的。选择一个坐标系,就是选择一种阅读方式,一种投影系统。

...正如柏拉图寓言中的角色,我们只能观察“欧几里得屏幕”上的影子。但关键在于,我们必须选择正确的“投影系统”目标。

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