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测绘信息和“多维”
 
 
2013-01-14 16:26 编辑:文/沈永耀 浏览量:3992人
 
 

 
 

     测绘科学跟三维、四维、多维有什么关系?

    关系太大了。不过你首先得弄清楚什么是“维” ?
    什么是“维”?“维”是一种“度量”——瞧,一谈到度量就跟测量挂上钩了,关系密切了。
    但日常生活中提及的“三维”、“四维”, 跟测量上提及的三维四维略有差别。前者提到的三维、四维,其一维是线,二维是面,三维是静态空间,四维是动态空间(增加了时间)。若再具体点说,还有个0维,0维是点,没有长、宽、高,是单纯的一个点,如奇点。一维是由无数的点组成的一条线,只有长度,没有宽和高。二维是平面世界,由无数的线组成的面,有长、宽,没有高。三维是由无数的面组成的体,有长、宽、高。这样,对“维”也可以理解为是“方向 ”。在三维空间坐标上,加上时间,也即把空间与时间相联系,构成了四维时空。 它是指阿尔伯特•爱因斯坦在他的《广义相对论》和《狭义相对论》中提及的“四维时空”概念;想说明——宇宙是由时间和空间构成的。                                                                                                                    
    而测绘科学领域里的三维观点,与上面人们通常所论述的观点稍有区别。
 


(摘自《多维论》中“多维图”)
 
    在测绘领域,一维是指“高”( 即高程,用 H表示);二维是指“面”(即平面,用X和Y,表示某一定点在平面坐标系的位置)。两者相加即成三维(X、Y、H),是指某个点的空间位置; 这里,它的参照系很重要,比如——是吴淞系、西安系, 还是格林威治(经纬度) 系, 等等。四维,就是三维加上时间“要素”(就是“维”)。这样,也有了时空概念。
    笔者在这里请读者不要混淆这两个观念——一个是“日常生活中的‘四维空间’” ,一个是指“测绘科学的‘四维概念’”。后者在三维的基础上注入“时间”这个“维”后——经过两次、三次、多次不同时间段对某一动态物体进行观测(排除“噪音”——测量误差 )后,如果这个物体在空间的位置出现了变化,这就是从“静态” 到“动态” 的演绎、变化;形象点讲,就是从定格、静止不动的“照片”,变成能举手抬脚、能活动的“影片”了。这一由“静” 到“动” 的变化,被认为是测量界一次质的飞跃和突破。动态、风险的变形观测(监测),从此脱颖而出,比如对地质灾害、气象灾害、建构筑物的变形监测等等,如今己扩大、开拓到对地面载体(汽车、火车),天体、宇航飞行体的轨道运营与监测。
    是的,只要“空间”扩大——闯进人们关注的、新的“介体(世界)”,“维”就会被适时地增添。只要科学进步,宇宙空间里就会有新的“维” 被发现。
    对多维这个问题暂时放一放。先看看相对论与量子理论 (注*) 是如何产生矛盾的。相对论的基本原理因宣传较多,颇为普及,这里就不多论及了。
    量子理论是现代物理学的两大基石之一。量子理论 ——它提供了新的、关于自然界的表述方法和思考方法。它还揭示了微观物质世界的基本规律,为原子物理学、固体物理学、核物理学和粒子物理学奠定了理论基础。它能很好地说明原子结构、原子光谱的规律性、化学元素的性质、光的吸取与辐射等等。
    至于相对论与量子理论之间的矛盾—— 因为这是两个理论,在日常的三维空间里是不可能统一的。因此它们的矛盾是必然的,但在高维空间里却能得到统一。举个通俗些的例子吧。以三维世界和二维世界为例:假设有些生活在二维平面世界的生命(在它的观念里只有长和宽,不存在第三维——“高”这个维) ,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”上。试想,一个平面生命怎么能够通过投影来想象三维物体的形态和完整性?当三维物体与平面世界接触时,三维物体只有一些杂乱零碎的片段投影在平面世界上的图象,比如一幢建筑物的垂直投影、比如一个人踩在地面上的两只鞋印,它会让平面生命(二维平面者)摸不着头脑——这些拼不到一起的“碎片”究竟意味着什么?它们不能想象,一堆堆互不相连的印迹怎么会构成一幢立体的建筑物?鞋印上面怎么会有一双鞋,鞋上面竟有一个更加完整的人!用二维的眼光来观察这些印迹的碎片,是不可能将它们拼成一个整体的;这时来了一个足智多谋的平面生命者,他想出一个绝妙的主意。他宣布,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,这些碎片竟是一个完整的整体!这真是个惊人的发现,但大多数平面生命者都困惑不解。
    相对论和量子理论的遭遇与这种情况非常相似。在三维空间里,它们就像两块互不相干的碎片,永远也拼合不到一起。但是如果把空间“向上”抬一抬,把宇宙变为多维、十维空间,相对论和量子理论这两块看似互不相干的碎片,就会令人震惊地结合得天衣无缝,成为一个更完整的理论大厦的两根互相依存的支柱!
    虽然大家在三维空间中无法想象和描述这样一个多维的世界它是怎样的……但是可用“逆向思维”,“反证”一下多维世界是如何“回归” 的,也就是说重返到“起点”、“源头”,会有一个惊天动地的发现……
    浩瀚宇宙中所有纷繁复杂的现象都是可以追溯到同一个源头的, 人类发现的大大小小规律最终都可以被一个根本的规律所囊括。以地球生命的发展为例:世上的人类,不同的人种,都可以追溯到同一个起源;人、猩猩和猿猴也可以追溯到同一个祖先……以此类推,所有的哺乳动物都拥有一个相同的祖先;再进一步概括——所有的动物、植物,也都拥有一个相同的祖先;最后,所有的生命都起源于同一个细胞——那就是生命,而且只有这一个源头。
    有鉴于此,何不把它再扩大,“海阔天空”地展翅放飞一下:宇宙中所有星系的起源,是不是也同样可以追溯到同一个源头?太阳系中的星体都起源于同一个星云,所有的星云都起源于相同的分子,所有的分子都由那几百种基本粒子演变而来。这样,顺着时间之流回流到溯源、回到最起始的那个“头”,大家终于来到了“大爆炸”开始的时刻,在这里——空间、时间和物质都融为了一体,都归结成为一个“点” 了。
    笔者在上海佘山天文台向一位天体学者请教,宇宙到底有几多个“维” ? 
    一位参观者说:以前曾请教过一位数学家,他认为要进入某一新的介体,就该有个“维”,这个“维” 说明清楚了,一个新的“维” 就诞生了。宇宙到底有几多个“维”?不妨去想象、去设定——只要它存在、只要解得合理。
    于是在想,人类入深海几千米、遨游太空多少多少光年——加重、失重、重力、运速 、大气密度……几乎都是要大家测绘人去探索、摄取的新的“度量”信息,包括那个十分时髦的“纳米”,一个不甚了解的微观世界……大家能吗?
    还有,上面说的、没挑明的那十个“维”,这一切,真让人遐想入迷啊。
    今天,测绘人要去摄取人类必需的“维”,包括那些崭新的“维”,确实是一大课题、一大创新、一大革命。就像知道了三维之后,测量人又注入“时间”, 成了四维 !
    什么是“科技进步”、“科学发展观”?
    “宇宙从同一个点出发,经过了100多亿年的漫长岁月,进化出一个复杂多变的世界,但不管这个世界是如何千变万化,在所有现象的背后,都有一个最根本的规律在运行,这就是宇宙起点时的源头规律。这个规律就是一个包罗万象的规律——所谓‘万物至理’即是如此。”  (《多维论》中一段论述) 

    注:1 —— 量子理论就是关于“离散的量”理论,“量子”一词的含意就是“一个量”或“一个离散的量”。早在1900年,量子理论刚诞生时,科学家们就发现,在微小的粒子世界,能量是一份一份发出的,而不是连续发出的。就像人民币的最小单位是“分”,乒乓球只能一个一个地买,而不能半个半个地买,这些都是日常生活中关于事物不可无限分割的例子。
 
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