<關於座標>
『XXX在哪?』要怎麼描述一個人或一個物體切確的位置呢?
『我在台北車站,東邊,三公尺處』就是一個清楚的表達方式
當一句話含有 參考點(台北車站)、方向(東邊)、距離(三公尺處)
有了這些資訊我們就可以得到物體的位置。
再舉一個例子:你到前面紅綠燈右轉,大概再騎三分鐘就到了
『你到前面紅綠燈(參考點)右轉(方向),大概再騎三分鐘就到了(距離)』
(這邊的三分鐘是用時間乘上一般認知的車子速度得到距離)
雖然有了明確表達位置的方式,但只有這樣是不夠的,所以引進了『座標』
用二維座標來看台北車站這個例子
畫出一個二維座標,十字的中心(原點、參考點)就是台北車站,座標軸中的每一格都代表一公尺,所以當目標物出現在東邊第三個點上,一樣可以清楚的得到『我在台北車站,東邊,三公尺處』這個資訊。除了用語言描述的方式,也可以直接畫一個座標圖,看到座標圖的人一樣可以很快的清楚物體的位置。
利用座標點的表示法,更能夠快速的知道一些比較難表達的位置,比如下張圖
要怎麼描述綠點位置呢?如果用一般口語的描述會是:
『大概在台北車站的東北方』(模糊板)
或『台北車站往東走三公尺,再往北兩公尺』(清楚板)
但如果是用座標來表示,只要明定X的正方向為東,Y的正方向為北
則物體的位置就在
(3,2)
的位置。所以座標就超方便的,座標本身就把『參考點、方向、距離』涵蓋在其中了,最後要表示物體的座標,只要在兩個維度上面 (X,Y) 給定XY 其位置座標馬上就可以知道物體在哪了。甚至於利用"向量"可以有更多靈活的運用(不贅述)
<座標小結論>
要清楚第四維度為什麼要先講座標? 因為要先知道什麼是一維、二維、三維
而"空間"在有些部分其實是抽像難以簡單描述的,所以利用座標可以將空間量化
化為一些線條,這樣也比較好想像。
如同古時第谷和克卜勒等人是如何記錄星體位置的? 當然也是利用座標,將天空畫上虛擬的線條,並記錄這些數字。看著數字,就可以在腦內翻譯出星體位置。
<維度與數學>
先看一張圖
依照前述,要表達綠點位置可以以 (3) 來表示,而藍點可以使用 (-4) 表示。
因為在一維座標當中,僅有兩個方向,所以括號內只有單一數字。如果是二維可能就會有如前面所說的 (3,2) 這種表示方式。那如果是三維呢?
(3,8,-4)、(5.2 , -71 , 0.235) 三個數字在括號中,其表達分別為 X Y Z 三個維度。
而這些數字是可以化為"向量"做計算的。
比方說你現在往天空丟一顆球,最後落下的地點在哪? 只要有足夠的資訊,這些都是可以被記算出來的。
當維度的表示利用座標的數學呈現後,就成為了可計算的東西。
<三維生物>
所以我們這些活在三維生物的人可以計算並且繪畫,畫出一維空間的樣子,比如一條繩子,又可能是一張2D的場景美術圖,比我們低維度的都可以輕易的操作。
當然三維可能要多費一些功夫,像是3D列印出的模型,使得你在每個位置每個角度,都可以看到模型不同的樣貌。
但二維生物就沒這麼幸運(如果有二維生物的話) 低維度世界是無法看得到較高維世界的。
舉個例子:在紙上畫出一個火柴人,這個火柴人他可以隨意的在紙張上亂走,但也因為他是二維的生物,所以他無法跳脫這張紙,但我們三維生物就不同了,我們可以把這張紙舉起來,或把它放在地板上。對我們來說,因為紙張的"高低"不同了,自然紙上的火柴人"位置"也會有變化,但如果你有機會問火柴人,火柴人可能會告訴你『我沒有動啊? 我從頭到尾都沒動,我的"位置"沒有改變』為什麼他會這麼說? 因為它無法感受到第三維。
兩個座標(3,2,8)、(3,2,-1)火柴人能感受能知道的只有他在(3,2)無法辨別第三個數字(也就是第三個維度) 這就是低維無法用直觀的方式描述、畫出、感受高維度的原因。
在星際效應的電影當中,為了涉及 "三維與四維" 的說明,科學家卻是拿了一個"二維的紙"作示範,為什麼? 就是因為我們三維生物是無法感受到 四維、五維,所以才會用二維物體與三維空間(科學家所在空間)來示範,用這樣的方式讓人們自己去想像 三與四之間的關係。
以上的"感受"皆指 人體、肉體的感官,比如"看到" "摸到" 等等
<計算高維>
那怎麼辦? 身為三維生物,要怎麼延伸討論到四維五維?
還記得前面講座標那邊嗎,雖然我們無法直接用我們三維生物的器官去感受這些,但是我們有數學。
會不會我們也像二維生物一樣只感受到前面幾個維度 (3,2,8) 其實有第四個 (3,2,8,31) 之類的呢? 有的,答案一樣是數學。
講"數學"可能有點太廣義,如果要細分的話,可能是結合不同領域科學的數學,比如弦論、量子力學..等等,這些不同的領域用以計算高維度,當然所得到的意義也會不同。
<所以說,什麼是第四維?>
第四維有兩種討論方式,第一種一樣就是所謂的空間,也就是說在現有空間中、我們所在的空間中,其實一直有第四個維度(也是空間維度之一)只是我們就如同那個火柴人一樣,當把這張"紙"放在不同"高低"的時候,我們斯毫無法靠人體感官去感受。如此一來我們只能用三維的方式去模擬四維、五維... 等等高維度的空間,如同星際效應最後出線的超立方空間。
第二種,愛因斯坦為了探討時空,所以將第四維設為時間,藉此探討了狹義、廣義相對論。對於時間是第四維的想像,也讓很多科幻作品有了"時空穿越"的想像。
所以"第四維" 是要討論時間,還是空間呢?
兩種討論方式走向不同的方向
如果是要討論穿越時空的話,當然是少不了時間了。