「薛餓」死宅的跨次元大作戰

「薛餓」死宅的跨次元大作戰

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擴展貓糧

首先特別感謝 @3Blue1Brown

本期節目的靈感,來自於這個極其優秀的數學科普視頻欄目。以前一知半解的那些數學原理和公式,經過他們出神入化的動態圖形詮釋,都瞬間豁然開朗。

即使不擅長學習數學的朋友,也能通過他們的視頻感受到數學的無窮魅力,對於邏輯思維和抽象思維也會有一個很大的提升。

B站可以搜索up主:3Blue1Brown

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“低維世界”存在生命嗎?

現有主流的物理理論中,生命只能存在於我們身邊這個三維空間,額外再加一個時間的維度,也就是3+1=四維時空。之所以科學家們如此篤定,一方面是通過數學計算得出,超過三維的空間都會蜷縮在很小的尺度當中。(之前 當中有所提及。)另一方面,通過計算,超過三維的高維度空間,是無法確保宇宙行星之間軌道的穩定的,因此也就無法產生生命誕生所需要的各種環境。

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高維時空無法產生生命,那更低維時空呢?

非常巧。今年夏天,加州大學物理學家James Scargill在一片論文中指出,生命在理論上是可以有存在於“二維空間+一維時間=三維時空”中的可能。

這篇論文先從引力的角度,計算出上述的三維時空中,理論上可以存在和我們這個宇宙相似的、穩定的牛頓引力環境。其次通過神經元的角度,計算出低維時空可以構建出可行的神經網絡結構,簡單的說,就是理論上可以產生“智慧生命”。

但這就可以說明宇宙中存在一個比我們更低維度的生命世界嗎?答:並不能。這篇論文只是從引力和神經元這兩個維度,證明了存在生命所需的兩個基本條件,但具備這兩個條件並不等於就存在生命。從生命的定義,到生命的演化……這是一個更加宏大的話題,需要更多已知和未知條件的約束,而這篇論文只是從理論層面給出一些假設而已。

說到這裡,本期劇情其實和剛才講的並沒關係——仔細審題:喬治受到詛咒,變成了低維生物。

是“喬治”變成了低維生物,並不是“他所處的世界”變成了低維的。兩者有本質區別,但之所以有這樣的設定,只是因為這樣的設定比較簡單,我們更容易瞎編故事(霧

喬治的初次掙扎

喬治在腦內把圓像剝洋蔥一樣剝成一小條一小條,然後組成一個三角形求面積的和,雖然對他升維沒有任何幫助,但卻體現了“微積分思想”。

「薛餓」死宅的跨次元大作戰

上大學後能聽到一些類似“微積分是學校為了賺補考費而發明的學科”的笑話。事實上微積分真的是躺槍了,因為它們其實比想象中要有意思。

微積分包含兩樣東西:微分和積分。它們是兩種思考方向,也是兩種“武器”。

積分:我們可以把這個世界想象成由一小份一小份的微小單元組成。很多複雜問題的解決思路都是將其切割成一連串的微小分子,然後求它們的和得到近似值。正如喬治將一個圓剝離成一條條細長矩形,只要每一條都足夠細,就可以將它們拼成了一個近似的三角形,從而求證出了圓的面積。

微分:思路是在微小的局部可以用直線代替曲線來計算。帶給我們的啟示是複雜問題可以用極限的分割方法,化為簡單直接的模型去解決。微分包含的一個重要的活動就是“求導”。

事實上,積分和求導有時候也能起到類似“升維和降維”的效果:

  • “圓面積”的導數,就是“圓的周長”
  • “球體積”的導數,就是“球的表面積”
  • 反之,“積分”則是“升維”的武器

說到這裡只能打住,因為我們沒那個篇幅把微積分的玄機完全講清楚。所以,我們吐血推薦B站up主 @3Blue1Brown,《微積分的本質》這個系列(av24325548)。但你完全不必有任何壓力,當你看不懂的時候可以隨時關掉——而你看的懂的那部分,即便再少,也會改變你對微積分和數學的認識。

另外還有一本日本超人氣數學趣味讀物,也異曲同工,是一本只需輕鬆閱讀便可以理解微積分原理的入門書。你會發現掌握了巧妙思路以後,微積分會成為一把萬能鑰匙,雖然獲取的過程會有些坎坷,但卻會幫你打開新世界的大門。(可以在微信中搜索微信小程序“黑洞百貨公司”來看看)

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喬治的再次掙扎

喬治被神秘博士蠱惑,簽下了賣身契約。神秘博士幫喬治“升維”時用到的工具,叫作希爾伯特曲線(更確切地說,是“偽·希爾伯特曲線”)。

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希爾伯特曲線就是像圖上這樣的一條線。一維直線上的每一個點都能對應到二維空間的一個位置,二維空間的每一個位置也都能在一維直線上找到一席之地,構成“一一映射”的關係。

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雖然老早就聽說過希爾伯特曲線這個東西了,但總覺得這些數學概念太過於理論了,沒法想象和現實世界有什麼關係。腦內也產生過一些疑問,“為什麼偏偏要用這個形狀,用其他的方法,比如就是橫著一行行地填滿不行嗎?”

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同樣,來自B站UP主 @3Blue1Brown 的視頻(av4201747)解開了我對希爾伯特曲線的所有疑問。它通過一個現實案例——聲音信息和視覺信息如何轉換,詮釋了希爾伯特曲線為什麼比其他形狀更優秀。

喬治被綁架前最後的疑問

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喬治被神秘博士綁架前,提出了一個疑問,雖然看似按照這個路線爬行就可以填滿整個空間,但終歸不可能一直這麼填下去,因為“點“本身是一個不具有面積的東西,所以在有限的時間內,也不可能佔據平面上的無窮個點位。

喬治的想法有道理嗎?我們這個世界真的是無限可分的嗎?會不會存在一個所謂的“基礎刻度”?空間按照這個最小刻度打好了格子?

有可能。

現在的確有些物理學家提出了時空量子化的方案,

普朗克時間和普朗克長度是物理定律裡“極限”,但這只是我們現有物理理論上的規定——最小時間就是普朗克時間,最小的長度是普朗克長度,但這並不代表空間就按照普朗克長度打好了格子。小於這個長度的內容,雖然我們在理論上無法測算,但目前我們也尚未證實它們在宇宙中並不存在。


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