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第二十九章 蚂蚁上树

    我很喜欢时空旅行这个想法,或许那一天我也会到历史上的某一天去看看,不过我只会是看一看,不会去改变什么,省得那么多的麻烦。

    爸爸很喜欢一道四川菜叫“蚂蚁上树”,就是把肉末和粉丝一起炒,加上许多的调料,比如,辣椒末、葱、蒜等。不过由于妞妞不喜欢吃辣的,所以爸爸在家里做这道菜就把辣椒免了,多放了些青蒜丁,味道一样很美味。这一天爸爸在家里又做了这道菜。

    妞妞将来一定是个美食家,看她吃得那么香,作为厨师的爸爸觉得比得到任何夸奖都要高兴。“妞妞知道为什么这道菜叫‘蚂蚁上树’吗?”

    “肉末就像是蚂蚁,粉丝就像是树枝条。加在一起就是‘蚂蚁上树’了呗。”妞妞头都不抬,觉得这个问题好简单。

    “这里面也有有趣的数学耶,你想不想听?”爸爸故意问。

    “真的?”妞妞抬起头,嘴巴还在嚼东西,但是眼睛直视爸爸,显得很好奇,“这里面有什么数学呢?”

    “我们这个世界是一个三维的世界,蚂蚁是一个点,算零维世界的动物;粉丝算一根线,是一维的。我们的饭桌是一个平面,算是二维世界。妞妞呢?在用筷子吃‘蚂蚁上树’,就是三维的了。”爸爸微笑地看着妞妞。

    妈妈笑着又插话了:“爷俩又要把饭菜吃凉了。”

    “我吃完了,”妞妞放下碗筷,“什么是维呀?”

    “你看,如果蚂蚁在一根非常长的粉丝上爬行,我们只需要告诉你它离开出发点有多远,你就可以把它找到,对不对?”妞妞点点头,“这说明只需要一个数字就能把蚂蚁定位。而对于桌面上的蚂蚁,如果只知道蚂蚁离开出发点的距离,没有办法确定蚂蚁的准确位置。蚂蚁可能在一个以出发点为圆心,以距离为半径的圆上,对不对?”

    “嗯,没有办法确定在哪一个点上。”妞妞的兴趣真的上来了,爸爸接着说:“我们要确定蚂蚁在桌面上的准确位置,必须用两个数字,从原点出发,向正前走了多远,向左走了多远。”这时候爸爸把妞妞掉在桌子上的“蚂蚁”用纸巾小心地清除干净。妞妞有些不好意思,自己也开始清洁桌子。“要是蚂蚁走的就是一条直线呢?”

    “即使蚂蚁走的是一条直线,由于直线可以是很多,我们需要加上这条直线的角度才能肯定蚂蚁是在哪条直线上,对不对?也就是说需要距离加上角度,数学上把前面的定位方法叫正交坐标,也叫笛卡儿坐标,因为是数学家笛卡儿发明的。后者称之为极坐标。它们之间存在完全的等价关系,可以互相转换。最重要的是必须有两个数字才能决定位置。”

    妞妞点点头,“这就是为什么称它为二维的原因吗?”

    “对,必须两个数才能准确描述的世界就是二维世界。接下来如果蚂蚁会飞,比如,这是一只飞蚂蚁。”妞妞立即显出害怕的样子,把爸爸妈妈都逗乐了。

    “我们要准确知道它在什么位置,除必须知道它向前向左走的距离以外,还必须知道它向上飞了多高。如果用极坐标的办法,我们还需要知道这根线朝上的角度。也就是必须三个数字才能完全界定这只淘气的飞蚂蚁的位置。”

    “幸好我是个三维人!”妞妞的表情有些滑稽,“可是我还是不明白什么是维?”

    “最简单的回答,一个点就是零维世界,因为它没有长宽高,长宽高都不存在。

    “一条线,不管是不是直线,构成一个一维世界,这里有长度的概念了,但是依然没有宽和高。

    “一个平面,不管是平的还是曲的,都构成一个二维世界,这里有了长和宽,但没有高。

    “而我们生活的这个世界就是一个三维世界,我们的长宽高都不是0,是不是?”妞妞点点头,还是有些迟疑。

    爸爸接着说:“生活在二维平面世界的生命,它们的世界里只有长和宽,根本无法理解第三维——‘高’这一维,因此,它们对三维世界的感知只限于三维物体在平面世界的投影,或者三维物体与平面世界的接触面。

    “你想一想,一个平面生命怎么能够通过影子来想象立体物体的丰富性和完整性呢?当三维物体与平面世界接触时,三维物体在平面世界上的零碎片段,比如,一张桌子的四条腿印,人印在地面上的两双鞋印,更让平面生命摸不着头脑——这些拼不到一起的碎片究竟意味着什么呢?

    “它们不能想象,四片互不相连的桌子腿印迹会构成一张完整的桌子,那相隔甚远的一路鞋印上是一双完整的鞋子。而且,鞋的上面竟然还有一个更加完整的人!用二维世界的眼光来理解三维世界,永远只是些碎片,永远不可能将它们拼成一个整体。”

    妞妞一边听一边笑,这些二维的扁人确实会糊涂的。

    爸爸也微笑着接着讲,“如果有一天,一位二维世界的数学家想出一个绝妙的理论,可以解释许多它们无法理解的事实。这个理论说平面世界之外还有一个‘向上’的第三维,如果顺着这些碎片‘向上’看,其实碎片是一个完整的整体!这肯定是个惊世骇俗的见解,绝大多数平面生命都会无法接受。

    “对于我们这些生活在三维世界里的人们来说情形好像也是一样的,虽然我们无法想象和描述一个更多维的空间,但我们却能通过复杂的数学方程推导出它的存在,而且这能非常好地解释许多我们直观上无法理解的事实。事实上能够理解这个理论的人也并不多。”

    妞妞点点头说:“要是能够到它们的世界里看一看就好了。”

    “妞妞说到了一个非常有趣的观察点。如果我是一只零维世界的蚂蚁,当我在粉丝上爬行的时候,也就意味着我在一维空间里的时候,我的世界就是这一条线。没有上下左右,只有前后。爬过去、爬过来总在这条线上。当妞妞用筷子把这只蚂蚁从一根粉丝夹到另外一根粉丝上的时候,我就进入了另外一个完全不同的一维世界。如果蚂蚁不知道其他的高维世界的话,它会无法理解为什么自己会突然转移到这个陌生的世界来。”妞妞有些迷惑,轻轻地摇了摇头,又轻轻地点点头。

    “好,爸爸再讲下面的例子。假设蚂蚁还不会飞,只会在桌面上爬行。我们要将蚂蚁关起来,只需要用线在它四周画一个圈即可,对不对?”

    听到这里,妞妞高兴起来,“我看过一个杀虫笔的广告,用笔在地上画一个圈,虫子就跑不出去了,很好玩的!”

    “这样一来,在一个桌面也就是一个二维空间的范围内,扁蚂蚁无论如何也走不出这个圈子了。”妞妞的例子把爸爸也搞笑了。

    “蚂蚁也会有许多的东西搞不懂,比如,灯泡照出的人的影子,落在桌子上,这个扁平的蚂蚁会感知到黑了,但是影子来了又去,蚂蚁是无法明白这是人在三维空间里移动造成的,因为它不知道东西有高度,无法离开扁平的世界。”

    妞妞心里想,可怜的扁蚂蚁,但愿不真的是我的好爸爸。

    “现在三维空间的妞妞还可以把蚂蚁拿到地板上,也就是从第三个维度的方向(从表示高度的方向),将扁蚂蚁从圈中取出,再放到另外一个二维空间里面,给蚂蚁自由。”

    爸爸等了一会儿,慢慢接着说:“如果这些你同意的话,对我们这些三维空间里生活的人而言,如果有人从四维空间里出来,把我们拿到另外一个三维世界里去,我们也搞不清楚是如何做到的。”

    妞妞的眼睛瞪得大大的,“那是不是外星人呀?”

    “完全可能呀!只是我们这些生活在三维空间的人还不能理解四维,或是更高维的空间而已。爱因斯坦相信第四维就是时间,沿着时间旅行,就可以跑到任何一个时间点。这可是令许多人都难以接受的事情,不过爱因斯坦说如果我们能够以超光速旅行,我们就可以让时光倒流,比如,回到历史上的大唐盛世。”

    爸爸的眼睛里有些激动的光芒,“妞妞一定看过时空旅行的科学幻想电影,像《终结者》就是一部很有名的时空旅行影片。施瓦辛格扮演的终结者乘时光机器回到过去,救出了那位母亲。”

    “如果可以时光倒流,我就要去看看爸爸小的时候是什么样子。”妞妞也觉得很好玩。“那是不是真的可以改写历史呢?”

    “说实话,爸爸也不知道如何回答这个问题。有许多的科学家相信总有一天人类会做到这一点。时空旅行就是从现有的三维空间中跳出来,沿时间旅行,到达某个期望的时间点,回到历史上的某一时间里,或到达未来的某一时间。

    “如果我们能进入四维空间,那么,瞬间跨越三维空间的任何距离都是可能的。这个理论看上去是很符合逻辑的,但是也有许多有趣的诘问。比如,如果历史改变了,你不存在了,回到历史中的这个人又是谁呢?有人解释说当历史改变时,你所处的三维空间就不是原来的三维空间了,沿着这个改变后的历史发展的又是另外一个世界。换句话说像我们这样的世界并行存在有无数个,每一个世界里面都有一个你。”

    “这也太神奇了吧!另外世界里还有一个我?那我怎么不知道呢?不过我很喜欢时空旅行这个想法,或许那一天我也会到历史上的某一天去看看,不过我只会是看一看,不会去改变什么,省得那么多的麻烦。”妞妞一边说,一边嘿嘿地笑。

    “对呀,如果我们这个世界只是巨人放的一个鞭炮,他们的一天相当于我们的一千万年,他们比我们看到的世界大10E30倍,就算他们也是在一个三维空间里,我们都不能够理解他们,何况四维空间?这个世界我们搞不清的东西太多。”爸爸很感叹。

    “对呀,爸爸,如果原子核就是一个太阳,它们的世界比我们小10E-30倍,那么我们的一天或许也相当于他们的一千万年,它的行星上的智慧生物我们永远都不会看见,他们也永远都不会理解我们的世界呀!哈哈,这个世界太奇妙了!”

    爸爸非常高兴妞妞的联想,心里说:要是妞妞知道世界上最优秀的数学家在研究弦理论的时候宣称点粒子不是三维,而是多维的。弦的运动必须有高达十一维的空间才能满足它的运动特征,就像一只真正蚂蚁的运动复杂到无法在二维平面中完成,而必须在三维空间中完成一样,知道这个的时候孩子不知道又会说出什么惊天动地的话语来。

    “爸爸最近看了一本小说,刘慈欣先生的科幻小说《三体》,这是本获得雨果奖的优秀作品。其间关于宇宙强大的文明用‘二向箔’一张卡片大小的维度武器,把太阳系降价为二维平面,从而毁灭我们的宇宙的描写,让我心惊不已。当然在这本伟大的小说中还有许多奇异瑰丽的想象,非常好看,你有时间一定要读读。”