What are the Deep Laws of Nature?

What’s fundamental? What’s bedrock reality? What are the deep regularities, things that work the same—always, everywhere—across the universe? Are these regularities “laws”?  Where do they come from?

视频简介:(原地址:https://www.youtube.com/watch?v=HsMUbZDNlik

话题大致有以下分类:

受采访的对象包括但不限于威腾、温伯格、索恩等物理大师。

以上的这些主题都归属于来自于 Deep Laws of Nature,而 Deep Laws of Nature 归属于 Closer to Truth.

Closer to Truth 包括以下主题:COSMOSCONSCIOUSNESSMEANING

都值得好好看看。

它的所有视频都做了播放列表,在它的YouTube频道里。观看地址为:https://www.youtube.com/user/CloserToTruth1

 

四元数的可视化(来自bilibili

How to think about this 4d number system in our 3d space.

Brought to you by you: http://3b1b.co/quaternion-thanks

Part 2: https://youtu.be/zjMuIxRvygQ

Interactive version of these visuals: http://3imaginary1real.com

Quanta article on quaternions: https://www.quantamagazine.org/the-st…

The math of Alice in Wonderland: https://www.newscientist.com/article/…


作者:Yang Eninala
链接:http://www.zhihu.com/question/23005815/answer/33971127
来源:知乎
著作权归作者所有,转载请联系作者获得授权。

根据我的理解,大多数人用汉密尔顿四元数就只是做三维空间的旋转变换(我反正没见过其他用法)。那么你不用学群论,甚至不用复习线性代数,看我下面的几张图就可以了。

首先,定义一个你需要做的旋转。旋转轴为向量v=(vx,vy,vz),旋转角度为\theta (右手法则的旋转)。如下图所示:
此图中v=(\frac{1}{\sqrt{14} } ,\frac{2}{\sqrt{14} } ,\frac{3}{\sqrt{14} }),\theta =\frac{\pi }{3}

那么与此相对应的四元数(下三行式子都是一个意思,只是不同的表达形式)
q=(cos(\frac{\theta }{2} ),sin(\frac{\theta }{2} )*vx,sin(\frac{\theta }{2} )*vy,sin(\frac{\theta }{2} )*vz)
q=(cos(\frac{\pi }{6} ),sin(\frac{\pi }{6} )*\frac{1}{\sqrt{14} } ,sin(\frac{\pi }{6} )*\frac{2}{\sqrt{14} },sin(\frac{\pi }{6} )*\frac{3}{\sqrt{14} })
q=cos(\frac{\pi }{6} )+sin(\frac{\pi }{6} )*\frac{1}{\sqrt{14} }i +sin(\frac{\pi }{6} )*\frac{2}{\sqrt{14} }j+sin(\frac{\pi }{6} )*\frac{3}{\sqrt{14} }k

这时它的共轭(下三行式子都是一个意思,只是不同的表达形式),
q^{-1} =(cos(\frac{\theta }{2} ),-sin(\frac{\theta }{2} )*vx,-sin(\frac{\theta }{2} )*vy,-sin(\frac{\theta }{2} )*vz)
q^{-1} =(cos(\frac{\pi }{6} ),-sin(\frac{\pi }{6} )*\frac{1}{\sqrt{14} } ,-sin(\frac{\pi }{6} )*\frac{2}{\sqrt{14} },-sin(\frac{\pi }{6} )*\frac{3}{\sqrt{14} })
q^{-1} =cos(\frac{\pi }{6} )-sin(\frac{\pi }{6} )*\frac{1}{\sqrt{14} }i -sin(\frac{\pi }{6} )*\frac{2}{\sqrt{14} }j-sin(\frac{\pi }{6} )*\frac{3}{\sqrt{14} }k

如果你想算一个点w=(wx,wy,wz)在这个旋转下新的坐标w^{'} ,需要进行如下操作,
1.定义纯四元数
qw=(0,wx,wy,wz)=0+wx*i+wy*j+wz*k
2.进行四元数运算
qw^{'} =q*qw*q^{-1}
3.产生的qw^{'} 一定是纯四元数,也就是说它的第一项为0,有如下形式:
qw^{'} =(0,wx^{'},wy^{'},wz^{'})=0+wx^{'}*i+wy^{'}*j+wz^{'}*k
4.qw^{'}中的后三项(wx^{'},wy^{'},wz^{'})就是w^{'}
w^{'} =(wx^{'},wy^{'},wz^{'})
这样,就完成了一次四元数旋转运算。

同理,如果你有一个四元数:
q=(q1,q2,q3,q4)=(cos(\frac{\theta }{2} ),sin(\frac{\theta }{2} )*vx,sin(\frac{\theta }{2} )*vy,sin(\frac{\theta }{2} )*vz)
那么,它对应一个以向量v=(vx,vy,vz)为轴旋转\theta 角度的旋转操作(右手法则的旋转)。

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如果你想对四元数有着更深入的了解,请往下看。

四元数由汉密尔顿发明,这一发明起源于十九世纪的某一天。在这一天早上,汉密尔顿下楼吃早饭。这时他的儿子问他,“爸爸,我们能够对三元数组(triplet,可以理解为三维向量)做乘法运算么?”汉密尔顿说“不行,我只能加减它们。”

这时来自21世纪的旁白旁先生说,“大家快来看十九世纪的数学家有多二,连内积和外积都不是知道。”

十九世纪的汉密尔顿也许确实不知道内积和外积,但是他知道,他想要的三维向量乘法要比内积和外积运算“高大上”很多。这一乘法运算要满足下列四条性质:
1.运算产生的结果也要是三维向量
2.存在一个元运算,任何三维向量进行元运算的结果就是其本身
3.对于任何一个运算,都存在一个逆运算,这两个运算的积是元运算
4.运算满足结合律

换而言之,汉密尔顿想定义的不是一个简单的映射关系,而是一个群!(后来我们知道四元数所在群为S3,而四元数所代表的三维旋转是SO(3),前者是后者的两倍覆盖)内积连性质1都不满足,外积不满足性质3。

汉密尔顿先生就这么被自己儿子提出的问题难倒了。经历了无数个日日夜夜,他绞尽脑汁也没想明白这个问题。终于有一天(1843年的一天),汉密尔顿先生终于意识到了,自己所需要的运算在三维空间中是不可能实现的,但在四维空间中是可以的,他是如此的兴奋,以至于把四元数的公式刻在了爱尔兰的一座桥上。

旁白:“WTF,我让你讲三维物体的旋转,你给我扯到四维空间上去。”

(不加说明,以下所说四元数全为单位四元数)
其实,四元数有四个变量,完全可以被看作一个四维向量。单位四元数(norm=1)则存在于四维空间的一个球面上。q_{a}q_{b},四元数q_{a}乘以四元数q_{b}其实看作(1)对q_{a}进行q_{b}左旋转,或者(2)对q_{b}进行q_{a}右旋转。所以从始至终,四元数定义的都是四维旋转,而不是三维旋转!任意的四维旋转都可以唯一的拆分为一个左旋转和一个右旋转,表达出来就是q_{_{L}}pq_{_{R}}。这里,我们对四元数(四维向量)p进行了一个q_{_{L}}左旋转和一个q_{_{R}}右旋转。结果当然是一个四元数,符合性质1。这个运算也同时符合性质2,3,4。

好了,说完了四维旋转,我们终于可以说说三维旋转了。说白了,三维旋转就是四维旋转的一个特例,就像二维旋转是三维旋转的一个特例一样。说是特例其实不准确,准确的说是一个子集或者subgroup。为了进行三维旋转运算,汉密尔顿首先在四维空间里划出了一块三维空间。汉密尔顿定义了一种纯四元数(pure quaternion),其表达式为qw=(0,wx,wy,wz)。纯四元数第一项为零,它存在于四维空间的三维超平面上,与三维空间中的三维向量一一对应。然后,就有了我们常见的q*qw*q^{-1} 这种左乘单位四元数,右乘其共轭的表达式。我真心不知道汉密尔顿是怎么想出来的,不过回过头来看,这个运算形式是为了限制其运算结果所在的空间。简单的说,当对一个三维向量进行三维旋转后,我们希望得到的是一个三维向量。(如果你真能得到一个四维向量,就不敢自己在家转圈圈了吧,转着转着,就进入四次元了!)那么这个左乘单位四元数,右乘其共轭的运算保证了结果是一个在三维超平面上中的纯四元数。

把左乘和右乘表达为矩阵形式会让我们看的更清楚一些。依照qw的定义,q*qw*q^{-1} 的矩阵形式为
\left[ \begin{array}{ c c c c} 1 & 0 & 0 & 0\\ 0 & q_{1}^2+q_{2}^2-q_{3}^2-q_{4}^2 & 2q_{2}q_{3}-2q_{1}q_{4} & 2q_{2}q_{4}+2q_{1}q_{3} \\ 0& 2q_{2}q_{3}+2q_{1}q_{4} & q_{1}^2-q_{2}^2+q_{3}^2-q_{4}^2 & 2q_{3}q_{4}-2q_{1}q_{2} \\ 0 & 2q_{2}q_{4}-2q_{1}q_{3} & 2q_{3}q_{4}+2q_{1}q_{2} & q_{1}^2-q_{2}^2-q_{3}^2+q_{4}^2 \end{array} \right] \left[ \begin{array}{ c } 0\\ wx\\ wy\\ wz \end{array} \right]
很明显,前面的矩阵虽然是一个4×4的四维旋转矩阵,但是它只是在右下角3×3的区域内和一个单位矩阵有所不同。所以说,它是一个限制在三维超平面上的四维旋转。如果表达式右边不是共轭,而是任意四元数,那么我们所作的就是一个很普通的四维旋转。如果只是左乘一个单位四元数,右边什么都不乘,那么我们得到的是四维旋转的一个子集,这个子集并不能保证结果限制在三维超平面上。如果只右乘,不左乘也是一样一样的。

说了这么多,对于坚持到最后的你,上图一幅,以表感谢。

其实这张图解释了一个长久的疑问。为什么四元数q=(cos(\frac{\theta }{2} ),sin(\frac{\theta }{2} )*vx,sin(\frac{\theta }{2} )*vy,sin(\frac{\theta }{2} )*vz)里用的是\frac{\theta }{2} 而不是\theta。这是因为q做的就是一个\frac{\theta }{2} 的旋转,而q^{-1}也做了一个\frac{\theta }{2} 的旋转。我们进行了两次旋转,而不是一次,这两次旋转的结果是一个旋转角为\theta的旋转。

分类: OpenGL

量子力学中的波动性的一种解释,我觉得靠谱。非常靠谱!这个想法太酷了!

YouTube视频源地址:https://www.youtube.com/watch?v=WIyTZDHuarQ

The standard theory of quantum mechanics leaves a bit to be desired. As Richard Feynman put it, “I think I can safely say that no one understands quantum mechanics.” This is because observations of experiments have led us to a theory that contradicts common sense. The wave function contains all the information that is knowable about a particle, yet it can only be used to calculate probabilities of where a particle will likely turn up. It can’t give us an actual account of where the particle went or where it will be at some later time.

Some have suggested that this theory is incomplete. Maybe something is going on beneath the radar of standard quantum theory and somehow producing the appearance of randomness and uncertainty without actually being random or uncertain. Theories of this sort are called hidden variable theories because they propose entities that aren’t observable. One such theory is pilot wave theory, first proposed by de Broglie, but later developed by Bohm. The idea here is that a particle oscillates, creating a wave. It then interacts with the wave and this complex interaction determines its motion.

Experiments using silicone oil droplets on a vibrating bath provide a remarkable physical realization of pilot wave theories. They give us a physical picture of what the quantum world might look like if this is what’s going on – and this theory is still deterministic. The particle is never in two places at once and there is no randomness.

视频:(提示,可以选择中文字幕,非常感谢酆正玄的翻译

该项目主页:http://dualwalkers.com/ 强烈推荐!

Silicone oil droplets provide a physical realization of pilot wave theories.

播主主页:https://www.patreon.com/veritasium

Check out Smarter Every Day: http://bit.ly/VeSmarter

Support Veritasium on Patreon: http://bit.ly/VePatreon

还有一个视频主用水做的实验演示:(视频地址:https://www.youtube.com/watch?v=KJDEsAy9RyM

这种视频扬声器的制作者是Nighthawkinlight,其播客页面是 https://www.youtube.com/user/Nighthawkinlight

 

软件制作界面:

注意,首先设置视频长度(按按帧数设置,比如每秒30帧,共900帧,则一共30秒)

然后按F3开始录制,

在时间轴上将进度条拖动到某一部位,比如300处,再框选局部区域,双击放大,则插入该区域的关键帧。

依此类推,直到末尾。

然后渲染,生成视频,这一步非常耗时。下面的视频一共三十秒,耗时2小时。

不过在这两小时可以做别的事,比如我看完了这本书《Wolfram语言入门》的部分章节,认识到“纯虚函数”的重要性,以及Mathematica中实现流程编程并不方便这一事实。还学到了如何用Mathematica制作声音, 特别有趣!

视频结果:

如何理解四维球体? 十维球体呢?

视频源地址:https://www.youtube.com/watch?v=zwAD6dRSVyI

https://brilliant.org/3b1b尝试基于问题的学习方式! https://www.benbenandblue.com/

特别感谢以下赞助者:http://3b1b.co/high-d-thanks

看看Ben Eater的通道:https://www.youtube.com/user/eaterbc

音乐: 文森特·鲁宾蒂 https://soundcloud.com/vincerubinetti…

分形的讲解。里面涉及到积分、维度。

这对理解积分,分形(不可积)的数学观念和本质有帮助。这个视频自带中文字幕,需要手动打开。

制作这个视频的团队(3blue1brown)官网:https://www.3blue1brown.com/ 。里面内容很强大,佩服!

视频源地址:Fractals are typically not self-similar


题外话:

我对老外做的这些视频很佩服,他们是如何制作这种视频的。里面包括各种动态效果,演示,我想象如果是我来做,会很费时间,但我猜他们应该有比较好的方法高效率制作这种视频。

这个视频是4K,60fps,将分形无限放大。

制作这个视频采用的这个软件:

软件官网:https://www.ultrafractal.com/ ,找到一个免费破解资源:http://www.pansoso.com/a/683683/

视频原链接:https://www.youtube.com/watch?v=8cgp2WNNKmQ

Wow! This video is a collaboration between Olbaid ST and Maths Town. Olbaid ST is one of the best Ultra Fractal artists that I know of, his still image collection is amazing! This video is based on one of his still images, and my customized rendering system has turned his image into this amazing zoom video. Be sure to hit pause and check out some of the features.

Make sure you check out his channel “Olbaid Fractalium” and hit subscribe, he is making some great videos: https://www.youtube.com/watch?v=UfC8W…

Olbaid-ST still images: https://www.deviantart.com/olbaid-st/…

This video is made with Ultra Fractal 6. It contains 11 layers!! The beautiful depth of this zoom comes from the layering of different images rendered with different settings. It took 3 weeks to render this video.

The last frame of this video is not a mini-Mandelbrot, it would have added weeks to the rendering time. Olbaid’s original image is at 1:40 and it is a mini-Mandelbrot. I just got excited and too things a little further.

(Note to Patreons: This video is not available for download or commercial licensing, because it is not my original work).