作者:@李淼 物理学家、科普作家
结论:在四维空间里面,人类会瞬间变成死样,因为人类瞬间就被瓦解了。
在刘慈欣的科幻小说《三体》中,有个震撼人心的故事,就是人类坐着星舰遇到了一个四维空间,然后,人通过第四维跑出了星舰。我在我的书《<三体>中的物理学》中专门用了一章来吐槽这个事,因为,根据物理学规律,一个三维人跑到四维里去,就会马上死掉。
为什么呢?答案与四维空间中,电力与距离的关系密切相关。
要研究电力在四维空间的定律,我们先研究一下电磁信号在四维空间里有什么规律。我们知道,能量是守恒的。在能量守恒定律下,三维空间中,无线电信号强度随着距离的平方衰减,这是为什么?因为无线电信号强度与球面面积乘起来,等于无线电携带的总能量,这个总能量不变,所以信号强度就得和距离平方成反比。
而在四维空间中,无线电信号随距离衰减将比三维空间中要厉害得多。同样根据能量守恒,在四维空间中,无线电携带的总能量,将等于信号强度乘以距离的三次方,而不仅仅是平方了。这里,距离的三次方就是四维中三维球面的「面积」。所以,在四维空间中,信号强度将与距离三次方成反比。也就是说,在四维空间中,信号衰弱的速率,比在三维空间中衰弱的速率要大得多。
也许你会说,在四维空间中能量也许是不守恒的。但是你要知道,能量不守恒的结果是很可怕的。因为,在物理学中,能量是与时间有关的,如果能量不守恒,物理学定律就会随时间变化。也就是说,一个在四维中的人,下一个时刻的体积和体重会剧烈变化。所以,我们还是不要接受这种可怕的假定了吧。
好,接受了能量守恒定律,你就得接受信号强度在四维空间中与距离立方成反比的这个结论。比如,我们从远处看一盏灯,灯会随着距离迅速暗下去,比在三维空间中暗下去的速率要大。
再看三维空间中的库伦定律。因为两个电荷之间的作用力是通过电磁场传递的,所以其实,库伦定律和前面说的信号强度衰减定律的道理是一样的。我们可以得出结论,三维空间中的库伦定律就是:电力与距离的平方成反比,即,两个电荷之间的力与距离的平方成反比。
那么,四维空间中的电力定律是什么样的?同样,在四维空间中的信号与距离立方成反比。所以,四维空间的电力定律就是:两个电荷之间的力与距离立方成反比。
回到《三体》中的故事,人一旦进入四维空间,库伦定律不再是库伦定律了,因为电力不再与距离的平方成反比,而与距离的立方成反比了。那么,人在这种情况下会有什么感受呢?
人体也是分子原子构成的。这下好了,原子核和电子之间的吸引力一下子改变了,不再遵循库伦定律了。一个推论就是,原子瞬间就要瓦解,人也就瓦解消失了。
四维人类长什么样
作者:@李淼 物理学家、科普作家
结论:在四维空间里面,人类会瞬间变成死样,因为人类瞬间就被瓦解了。
在刘慈欣的科幻小说《三体》中,有个震撼人心的故事,就是人类坐着星舰遇到了一个四维空间,然后,人通过第四维跑出了星舰。我在我的书《<三体>中的物理学》中专门用了一章来吐槽这个事,因为,根据物理学规律,一个三维人跑到四维里去,就会马上死掉。
为什么呢?答案与四维空间中,电力与距离的关系密切相关。
要研究电力在四维空间的定律,我们先研究一下电磁信号在四维空间里有什么规律。我们知道,能量是守恒的。在能量守恒定律下,三维空间中,无线电信号强度随着距离的平方衰减,这是为什么?因为无线电信号强度与球面面积乘起来,等于无线电携带的总能量,这个总能量不变,所以信号强度就得和距离平方成反比。
而在四维空间中,无线电信号随距离衰减将比三维空间中要厉害得多。同样根据能量守恒,在四维空间中,无线电携带的总能量,将等于信号强度乘以距离的三次方,而不仅仅是平方了。这里,距离的三次方就是四维中三维球面的「面积」。所以,在四维空间中,信号强度将与距离三次方成反比。也就是说,在四维空间中,信号衰弱的速率,比在三维空间中衰弱的速率要大得多。
也许你会说,在四维空间中能量也许是不守恒的。但是你要知道,能量不守恒的结果是很可怕的。因为,在物理学中,能量是与时间有关的,如果能量不守恒,物理学定律就会随时间变化。也就是说,一个在四维中的人,下一个时刻的体积和体重会剧烈变化。所以,我们还是不要接受这种可怕的假定了吧。
好,接受了能量守恒定律,你就得接受信号强度在四维空间中与距离立方成反比的这个结论。比如,我们从远处看一盏灯,灯会随着距离迅速暗下去,比在三维空间中暗下去的速率要大。
再看三维空间中的库伦定律。因为两个电荷之间的作用力是通过电磁场传递的,所以其实,库伦定律和前面说的信号强度衰减定律的道理是一样的。我们可以得出结论,三维空间中的库伦定律就是:电力与距离的平方成反比,即,两个电荷之间的力与距离的平方成反比。
那么,四维空间中的电力定律是什么样的?同样,在四维空间中的信号与距离立方成反比。所以,四维空间的电力定律就是:两个电荷之间的力与距离立方成反比。
回到《三体》中的故事,人一旦进入四维空间,库伦定律不再是库伦定律了,因为电力不再与距离的平方成反比,而与距离的立方成反比了。那么,人在这种情况下会有什么感受呢?
人体也是分子原子构成的。这下好了,原子核和电子之间的吸引力一下子改变了,不再遵循库伦定律了。一个推论就是,原子瞬间就要瓦解,人也就瓦解消失了。