畫中時空(一)

作者:Arnaud H.
太陽系中的太陽和幾大行星運行軌道示意圖。 (公有領域)
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學術界把繪畫歸類為空間藝術。在西方傳統繪畫中,藝術家通過熟練運用各種美術技法,準確描繪物像的光影變化,能在平面上塑造出具有立體感和空間感的形象來,猶如現實世界裡的三維物體投射到二維平面上的「投影」(Projection)。相較於音樂之類充滿時間延續性的聽覺藝術而言,人們傾向於認為繪畫表現的是靜止或瞬間的場景;從空間角度看,要在二維的平面上展現大千世界眾多的情景與神傳文化深邃的思想,實屬不易。今天,我們就來研究一下這門藝術與時空背後的學問。

可見空間

有的朋友可能對「二維」、「三維」之類的名詞不太熟悉,這些詞算是美術和物理學、天文學等學科共同的專業術語,一講就牽扯很多其它方面的內容,還涉及到另外空間,不太好懂。因此,為了便於大家理解,筆者只拿人們普遍能接受的空間概念舉例,用通俗易懂的方式簡單談一談時空中的維度(Dimension)。

對於講述空間的內容,或許天生空間親和度較高、空間思維能力較強的讀者更容易理解。但不習慣空間類思維方式的朋友們也不用擔心,因為本文還會通過一些圖片給大家直觀的展示,儘量讓所有讀者都能看懂。

談到維度,常規的認識大致是這樣的:一個點運動起來就形成了一條線的軌跡,只有單一的長度,那麼線就屬於一維空間;線的運動整體掠過的範圍,擁有長和寬兩個要素,所以這兩要素組成的平面空間就叫作二維空間;而一個面整體向第三方運動能構成一個體積範圍,因此,具有長、寬、高這三個維度的空間就被稱為三維空間。通俗地講:線是一維,面是二維,體是三維。這也是大多數人所理解的概念。

一維、二維、三維空間示意圖。通俗地講,線是一維,面是二維,體是三維。(公有領域)

然而,當數字變得更大時,「維度」的概念就開始模糊了。不少人說三維空間加上時間就變成四維空間了,其實略顯牽強。因為我們所能接觸到的時間與空間是同時同地存在的,一條線或者一個平面也存在它們的過去、現在、未來;並且每一維度都自帶時間,不同維度的時間也各不相同,每一層粒子都有它本身的時間,空間與時間就好像融合在一起的整體一樣。而按照現代數學的方式割裂開看則顯得有些機械。

所以,我們這裡講的維度與人們常說的那種四維空間理論不太一樣。當然,如果有人覺得不習慣,我們還能換個稱呼,比如大維度的概念就叫「大範圍」,再大就叫「更大範圍」等等,其實只是個名詞的差異。不過,「範圍」這個詞在人們的常規概念裡更傾向於表示空間,很難讓人與不同層面的時間概念聯繫起來,所以借用「維度」 這個詞,只是為了表述得更方便一點而已。

那麼,如果這個環境裡所有立體的人和物等一切東西,包括環境本身整體都動起來,就能形成更大一層的概念。有人覺得,動起來後還不是長寬高三維的嗎?是這樣,但又不完全是這樣。

早在上個世紀,人們就已經得知,一旦涉及更宏觀尺度概念的時候,原有的很多常規物理定律、公式都不適用了,算出來的數據都會出現問題。所以後來愛因斯坦(Albert Einstein)等天才科學家的研究成果才那麼受到學術界的推崇。簡單來講,當涉及到星球範圍時,就要考慮時空彎曲(Curved spacetime)的情況。這時,地球環境裡的長寬高等空間概念,在宏觀的彎曲中與外界的時空已經屬於不同的時空狀態了。

地球所在範圍的時空彎曲示意圖。人造衛星飛出大氣層後所處的時空環境,與地面環境的時空狀態完全不同。(NASA)

我們借用一個簡單的例子來打個比方:在土地上劃出一條直線,正常環境下看,人們都認為是直線;可在更大的視野中,比如在太空中看,它其實是劃在圓形地球上的一小段弧線。當把長寬高的簡單概念放在不同的時空範圍中看時,也需要改換認知方式。

地球整體在自轉的同時也繞著太陽公轉,所形成的這個範圍的空間概念與大氣層內的空間概念就已經不是一回事了。由於地球自轉,住在赤道的人每秒鐘轉動幾百米,可人一點在轉的感覺都沒有;地球在圍繞著太陽公轉,地上所有人每秒鐘都要移動幾十公里,但世人都覺得大地根本就沒動過。一切都被塵封在了這個環境中,人在這個環境裡做什麼,也都是這個環境裡面的事情,與外界的大環境是相對隔開的。

這兩個環境的區別屬於時空性質的差異,所以外層空間與地面環境的時間流速也不一樣。科技界都知道,發射人造衛星或飛行器到太空,需要特殊微調原子鐘,否則就可能出問題。拿大家都聽說過的GPS衛星舉例,由於天地間的時間流速不同,如果與地面保持同樣的時鐘速度,GPS衛星系統在各種轉換運算中每天將會累積一些定位誤差,不校正的話時間長了就沒法用了。

在地球上,人們通常認為的「上」,其實是人的頭頂方向,由於地球是圓的,「上」就意味著地球之外360度的全方位;「下」其實是地心的方向;前後左右只是沿地球這個球體延伸出去的範圍概念。人們熟悉的時間也是按照地球環境的時間運行的,而這裡面的一切概念都依附於這個環境之中。

地球一直圍著太陽轉,太陽系(Solar System)裡面的幾大行星軌道角度接近,基本處於差不多同一平面圍著太陽轉。按照地球人的坐標概念來比喻,所划過的範圍就像一個平躺的圓盤一樣。因為坐標基點變了,如果把太陽系想像成一個平躺著的盤,那麼這時的上下左右就與地球上的上下左右完全不是一回事了。

太陽系中的太陽和幾大行星運行軌道示意圖。 (公有領域)

當然,筆者這裡只是用最淺顯易懂、約定俗成的方式在形容,是為了儘量讓所有知識背景、文化程度不同的讀者輕鬆讀懂。實際上還可以從其它的方面去理解太陽系,比如從能量的角度看,整個太陽系可以被視為一個球體;而從空間的概念去看,太陽系類似於一個泡泡……我們是從最「物質」化、最大眾化、最淺白的角度,才把它比喻成一個盤,後文的寫法也與此類似。

按照剛才的方法,如果把整個太陽系視作一個完全不同的時空概念,那麼太陽系整體的運動也就構成了一個更大範圍的環境。太陽系作為銀河系(Milky Way)的一部分,是圍著銀河系的中心運轉的。

如果把銀河系當成一個平躺的大圓盤,那麼太陽系這個小圓盤與銀河系大圓盤的夾角大約為60度,在這個環境中,太陽系就像電扇一樣斜立起來迎面前進著。也就是說,從這個視角看,地球就變成斜豎著圍著太陽轉了。而太陽因為一直在飛快地前進,所以太陽系行星的軌道在運動中其實都不算是閉合的圓,而是螺旋形地追著太陽在往前跑。而且,太陽也並非一馬平川地圍著銀河系公轉,而是根據所處銀河懸臂的情況波浪式地前行。這時,不但原來太陽系概念裡的假設的上下左右,在銀河系的環境概念中全變了,而且時間的概念也在不斷變化之中。

太陽系在銀河系中運行的示意圖。銀河系被視作一個平躺的盤,在平視下呈橫條狀,而太陽系則斜立著呈波浪式在銀河中運行,整體圍著銀河系中心運轉。圖中橫向略亮的浩渺背景為平躺著的銀河系,黃白色的球是太陽,橫著的黃白色波浪線表示太陽行進的路徑;藍色的小球表示地球繞太陽公轉的不同位置;右邊橢圓虛線處的灰色小球是繞著地球轉的月亮。(Jim slater307/Wikimedia Commons)

拓展視野後,原有的時空概念還會繼續改變,後面就簡略地講了。按照現代天文學了解的情況看,銀河系帶著身邊一群小星系在稱為「本星系群」(Local Group)的龐大結構裡運行。其中,銀河系與隔壁的仙女座星系(Andromeda Galaxy)是本星系群裡最大的兩個星系。

本星系群示意圖。左邊紅字處是銀河系,周圍多數是銀河系的衛星星系;右邊整體上是仙女座星系和她的衛星星系,以及一些其它星系。銀河系和仙女座星系是本星系群中最大的兩個星系。(Andrew Z. Colvin/Wikimedia Commons)

而往更大範圍看,銀河系所在的本星系群又屬於室女座超星系團(Virgo Supercluster)的一部分,本星系群自身有特定的運動方向;而室女座超星系團也在更廣闊的範圍運行……

當然,這裡都是在現有的理論基礎上談維度、時空等概念問題,用一種靜態化的、易於理解的方式在講,其實具體的實際情況還不一定都是那樣。因為宇宙整體在膨脹著,人類所處的宇宙範圍看似與龐大的星系團有聯繫與互動,但卻好像人在高速行使的列車裡跑來跑去,哪怕從車頭往車尾跑,無論怎麼跑都會離出發地越來越遠一樣。天文學家發現,大量遙遠的星系正以超光速遠離銀河系,銀河系所在的本星系群其實是在被孤立中。

我們談的幾維時空的數字,在高層次上看不一定有多大意義,因為空間的層次數量實在太多了。用人們熟悉的概念打個比方,不同大小時空的相互作用就像機械結構裡小齒輪咬合大齒輪的感覺,而這些齒輪多到如同沙灘上大大小小的沙粒,或空中密密麻麻的空氣微粒一般,層層之間相互聯繫。人們都知道繪畫是三維空間在二維平面上的投射,那麼我們眼睛看到的這個三維的世界會不會也是更高維度的投影呢?其實,從某種意義上看,連「維度」這個詞的表述都是非常局限化、很不準確的。這裡只是在人類現有的知識體系下,將就著簡單介紹一下這些專有名詞、學術用語而已。@(待續)

(點閱【畫中時空】系列文章。)

責任編輯:李梅#

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