关于高维空间的一些思考

来源:互联网 发布:php.ini pathinfo 编辑:程序博客网 时间:2024/05/22 20:13

首先,我们来做一个思想实验,网格世界中随机游走的小球(作出每种移动的可能性相同)。首先是1维的随机游走,最后的结果一定是高斯分布(因为那就是一个伯努力过程),结果就是,我们在原点附近发现小球的概率一定很大;现在来看二维的情况,现在有4个方向可以选择,所以这是一个二维高斯(而且考虑到正交方向的独立性,协方差矩阵为单位矩阵),那么我们现在问在距离原点多远的地方发现小球的概率比较大?经过简单的换元法(注意别忘了乘以雅可比行列式),我们会惊讶的发现,小球出现在原点附近的概率几乎是0,而出现在距离原点1到2之间的地方的概率非常大。一个随机游走的小球居然在维度升高以后远离了最初的原点,这不是很不可思议吗?我们该如何句理解这个现象呢?如果我们进一步提高空间的维度,发现小球的位置会距离原点越来越远,虽然我们一开始确实是从原点开始的。


也许这个现象有数学之外更哲学的解释。事实上,问题不是出在高斯函数自身上,而是所有的高维对象——这是空间本身的问题!当计算一个球体的体积时会发现随着空间维度升高,球体的体积越来越集中在一个很薄的球壳区域。因此,数学上来说,高维度空间中的空间分布是不均匀的。现在,从哲学上来思考,如果我们说某个实体存在,它必须存在于空间中,不存在于空间中的实体被认为是不存在的,不是吗?所以在某些地方你看不到目标,不是因为目标不去那个地方,而是因为那个地方几乎就没有空间!


现在想象一下这个情形,一个随机移动的点,无论怎么疯狂的移动,却总是被限定在一个球壳区域中,以至于它的运动轨迹甚至形成一个球壳,而原点正好处于球心处......如果说,我在现实中真的见过什么现象是这样的,那我唯一能想到的那就是氢原子!


事实上我第一时间想到这种关联性以后,就去查了原子核核外电子的分布函数图:


注意观察那些函数的形状,虽然它们有形态上的差异,但是实际上它们就是高斯函数!(换元以后的):


现在,一个非常疯狂的猜想在我脑中闪现:原子核附近如果存在高维空间呢?!如果原子核附近确实存在高维空间,那么就可以解释电子云为什么是这样的,为什么原子有大小,为什么原子中99%的空间是空的(因为空间根本就不存在!)。传统的说,原子核本来就存在于三维空间中,所以出现这种概率分布也是没什么非议的。不!问题的关键在于,为什么电子有多个轨道(分布)?!而且这些轨道(分布)都是互相独立开来的,这不很奇怪吗?这也是量子理论最奇特的地方——量化的能量、量化的轨道、量化的分布。之始至终,我们的世界就是连续的,我们的一切分析与认知也是基于连续的,我们在研究一个连续统的过程中,突然跳出了不连续的特性。很早以前,我们以为自己解决了Zeno悖论,为什么无限个静止的瞬间无法组成一个连续的世界?那是因为即使你有无限个静止的瞬间,你依然无法构成一个连续统,这就是数学或者哲学的认知——但是现在这个认知受到了挑战。问题出在哪?


在所有的分析过程中,我们都是用的连续量,唯一不连续的、唯一只能取整数值的只有维度——空间的维度是不连续的!不连续性难道不是由于空间维度的不连续性造成的吗?也许,我们需要一种新的理论,把能量和空间维度结合起来考虑,更高的能量使得能利用的维度越高??


I gotta stop somewhere, I'll leave you something to image...

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