f111

autre
11

坐标选择可能引发的问题。

……我们将要讨论的是,把坐标系强加于一个几何解之上、并在这个特定坐标系中表达该解所冒的风险:前提是这个坐标系必须恰当。当我们审视上述解时,假设这种几何是某个场方程的解,那么使用坐标系(r, q)就预设了拓扑是“局部球形的”——当然,是在二维意义上。也就是说,在任何一个“以这个假设的几何中心为中心”的圆内部,我们总能内接一个更小的圆,直到这个圆变成一个点。用数学语言来说,任何半径为r的圆都界定出一个“可收缩胞腔”。

……在三维中,局部而言,宇宙将是“俄罗斯套娃”式的。在一个球体内部,我们总能内接一个面积更小的球体。在三维中,这属于局部球面拓扑。

情况能否有所不同?

可以,如果表面的拓扑是“局部环面的”。在二维中,这给出如下情形:

……注:上图中的对象是一个二维曲面,意思是需要两个参数才能确定其上一点的位置。在这个意义上,一条曲线是一个“一维曲面”。几何学家谈到圆时,会使用“球面S1”这一说法,即“一维球面”:只需要一个唯一参数——横坐标——就能在一条曲线上确定一点的位置,而曲线是一维对象。球面S2——即“普通”球面——与圆——即球面S1——有某种共同之处:它们都是“闭”对象(这一概念借自拓扑学)。

……用来定义空间中一点位置所需的数量,恰恰就是该空间维数的定义。因此,人们会把时空(x,y,z,t)视为一个四维超曲面,因为需要四个量才能在其中定义一个点,即所谓“事件”。

关于维数概念的这条注解到此结束。

……必须牢记一件事。构造某个场方程特解的几何学家是盲目的,他无法看见自己所获得的几何对象。他只能通过其测地线来探索它,并在某个特定坐标系中描述这些测地线。刚才的极坐标对应于该曲面与一族共轴圆柱面的交线:

以及与该族圆柱面共同轴的一族平面的交线。

在三维中,这将是空间与一族同心球面的交线。

……但是,如果用一族同心圆柱面去切割呈现这种管状桥的曲面,会发生什么?只要这些圆柱面与曲面相交,就没问题。但当它们的周长小于“喉圆”的周长时,这些截面就变成……虚曲线。设p为喉圆的周长。把它与一个长度Rg相关联,使得p = 2 p Rg。

……显然,该族中任何满足r < Rg的圆柱面都不与曲面相交。当几何学家关注r < Rg时曲面的测地线形态时,他会发现一些虚的几何对象。

……当我们寻找两个点与一条直线的交点时,例如对应于x = xo,当该直线确实与圆相交时,我们得到y的两个实值。否则这些值就是纯虚数。

……如果一个人在一片黑暗中探索一个曲面,无法感知其形状,又不知道其拓扑是局部环面的,他可能会极度困惑。
该曲面可以借助两族曲线来定位:

……每条曲线由一个参数定义。位于这两条曲线交点处的点M,确实由两个量(a,b)定义,即经过M的两条曲线的值。

……第一族由一些圆构成,它们不是曲面的测地线(喉圆除外);第二族由测地线构成,呈双曲线形态,与这些圆正交。这些双曲线曲线让人想到俯冲式轨迹,可以让人从一片叶层过渡到另一片叶层。
显然,对于一个局部超环面的三维空间,也可以有同样的情况。圆将被一族球面取代,其中会有一个喉球面,面积最小。构成与这族球面正交的轨迹的线,构成俯冲式轨迹,可以穿过这个超环面隧道,并在另一片三维叶层(或 feuillet)中重新出现。

……这条注解并非多余。当我们考察黑洞模型时,将有机会再回到这一点。事实上,在这个模型中,当人进入“视界球内部”时,一个粒子的质量会变成……纯虚数(此外还有许多其他东西)。于是人们有权问自己,是否还处在时空超曲面之中。那种特定的坐标选择

(t , r , q , j)

蕴含着局部超球面拓扑(存在一个径向坐标r,能够取小于视界球、即史瓦西球半径的值),它是否恰当?

一位知名天体物理学家几年前曾写道:

  • 我们现在对黑洞内部了解得多了许多。

但黑洞如果存在,它们有内部吗?还是说它们对应于一种局部超环面拓扑?

……可以看出,坐标系的选择可能引出多少东西。几何解是存在的。它拥有测地线。但我们只有把它投影到我们的心理表征空间——一个甚至并非相对论的欧几里得时空——中,才能“读取”这一切。选择一个坐标系,就是选择一种读取系统、一种投影系统。
……就像柏拉图笔下的人物,我们只能观察一个“欧几里得屏幕”上的影子。而且还必须选对“投影系统”的镜头。

点击订购包含网站副本(58 MB)和19部LANTURLU漫画的光盘……

文章目录 科学目录 主页

上一页 下一页

返回科学指南 自2004年7月1日以来本页访问次数: