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◎从苍蝇的世界看维度的意义

我们都很熟悉三个基本方向上的移动:东西、南北、上下(或者也可以说是左右、前后、上下)。不管我们去哪里——不论是开车上杂货店或是飞到大溪地——我们的运动都是这三个独立方向的某种基本组合。我们对这三个维度太过熟悉,以至于要设想另一个维度,并且指明它确切指向哪里,似乎是不可能的。长久以来,似乎我们所见的即是宇宙的一切。事实上,早在两千多年前,亚里士多德在《论天》( On the Heavens )中就论称:“可在一个方向上分割的量,称为线;如果可在两个方向上分割的量,称为面;如果可在三个方向上分割的量,则称为体。除此之外,再无其他量。因为维度只有三个。” 公元150年时,天文学家、数学家托勒密尝试证明不可能有四个维度,坚持认为不可能画出四条相互垂直的直线。他主张,第四条垂直线“根本无法量度,也无法描述”。 然而,与其说他的论点是严格的证明,还不如说是反映了人们没有能力看到并描绘四维空间的事实。

对数学家而言,维度指的是一种“自由度”(degree of freedom),也就是在空间中运动的独立程度。在我们头上飞来飞去的苍蝇可以向任何方向自由移动,只要没有碰到障碍,它就拥有三个自由度。现在假设这只苍蝇降落到一个停车场,而被一小块新鲜柏油黏住。当它动弹不得时,这只苍蝇只有零个自由度,实质上被限制在单一点上,亦即身处于一个零维的世界。但这小东西努力不懈,经过一番奋斗后从柏油中挣脱出来,只可惜不幸翅膀受了点伤。不能飞翔之后,它拥有4两个自由度,可以在停车场的地面上随意漫步。然后,我们的主角察觉到有掠食者(或许是一只食虫的青蛙),因此逃进一根丢弃在停车场的生锈排气管,苍蝇此时只有一个自由度,暂时陷入这根细长管子的一维,亦即线状的世界。

但维度是不是就只有那么多?一只苍蝇在天上飞,被柏油黏住,在地上爬,逃进一根管子里——这是否就囊括了一切可能性?亚里士多德或托勒密应该会回答“是”,对一只没有高度冒险精神的苍蝇而言,或许也确是如此,但是对当代数学家来说,故事并没有就此结束,因为他们通常不认为有什么明显理由只停留在三个维度。我们反而相信,想要真正理解几何学的观念,像是曲率或距离,需要从所有可能的维度,从零维到n维来理解它(其中n可以是非常大的数)。如果只停留在三维,我们对这个概念的掌握就不算完整,理由是:比起只在某些特定情境才适用的断言,如果大自然的定律或法则在任何维度的空间中都有效,那么它的理论威力更大,也可能更基本。

甚至即使你所要对付的问题仅限于二维或三维,也可能借由在各种维度中研究该问题而得到有利的线索。再回到我们那只在三维空间里嗡嗡飞的苍蝇,它可以在三个方向移动,亦即具有三个自由度。然而,假设还有另一只苍蝇在同一空间里自由移动;它同样也有三个自由度,整个系统就突然从三维变成六维的系统,具有六个独立的移动方向。随着更多的苍蝇在空间里穿梭,每一只都独立飞行而不与他者相关,那么系统的复杂度及其维度,也随之增加。 fOC50aPmDHa51f82wsTWHkcLIuNKZuqmDGwqDfb85geWzg893r9S5LMF8KA9AL7s

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