高维空间真的存在吗?三维与四维空间有啥区别?

人类在三维空间生活,也可以说在四维时空中生活,因此对自己的空间很好理解,就是我们看到的事物都是立体的,有长宽高三个维度,而时间轴贯穿其中,具有一维向前性,也就是不会停顿,一去不复返。

三维空间有三个维度,四维空间在三维上再加一个额外维度。

但这个维加的是空间维,不是时间维。有些朋友把四维时空当作四维空间是错误的,四维时空就是在三维空间的基础上加上一维时间轴,还是属于三维空间。

  • 我们所处的世界就是四维时空

因为人类在三维空间生活,也可以说在四维时空中生活,因此对自己的空间很好理解,就是我们看到的事物都是立体的,有长宽高三个维度,而时间轴贯穿其中,具有一维向前性,也就是不会停顿,一去不复返。

在爱因斯坦的相对论里,时空和物质是一体的,它们同时诞生,同时消亡,不会单独存在。因为空间是物质的容器,没有这个容器就没有物质;而物质是空间的内容,没有这个内容,就不需要空间;时间是物质在空间中运动变化的度量,物质和空间是不断变化的,任何事物都是从生到死一直向前的,因此,没有时间,象征着一切都将停顿,化为乌有。

但时间是虚数值,只存在于事物的变化里,只可意会,不可言传,但它确确实实的客观存在。如果这个世界还有其他不同文明,标度时间的方法就可能不一样,比如人类将时间分为时分秒、日月年,如果存在其他文明则不会这样划分,这是时间的主观性质;但世界上存在的一切物质、原子粒子的衰变过程,以及自然规律都是一样的,就是时间存在的客观性。

三维空间也就是四维时空,是构成我们存在的真实世界最低纬度,在这个维度上再加上一维就是四维空间五维时空。这种时空是什么样子,谁也没看过,因此只在数学上的意义,人类还无法理解。

  • 数学对空间的理解

零维即一个点,这个点没有长宽高,只是一个虚位置,在我们时空中并不真实存在。这有点像宇宙大爆炸开始前,或者黑洞中心的奇点,无限小,无法衡量的小;一维就是在两个零维之间的一根连线,这根线同样没有体积也没有面积,也就是没有长宽高,看不见摸不着。

二维就有了意义,就有了一个平面,也就是有长和宽两个维度,但没有高度(也就是厚度),因此如果从平面看,可以看到这个二维平面,从侧面看就也是没有。

于是,就有一些人想象着二维空间存在的生物,它们存在于一个平面,自己也是一个没有厚度的平面,只要在它们周围画一个圈,哪怕这个圈没有任何厚度,它们也无法逾越。而三维生物(就是我们)却可以轻而易举将它们抓起来,丢到圈外,这样圈内的二维生物就会觉得同伴莫名其妙地消失了,就会膜拜大神。

因此三维生物就是二维生物的大神。事实上二维生物根本看不见同类的样子,因为它们看到的只是一个线段,无法看到其侧面或后面。实际上如果二维生物没有厚度,就连线段也看不到。还有人臆想,二维生物不可能有内脏或消化系统,也就是吃进去拉出来的那根肠子,因为如果有,由于没有厚度,这根肠子就会将身体裂为两半。

还有人把蚂蚁当作为二维生物。其实是大错特错的,蚂蚁虽小,也是有体积的,就是细菌也是有三维度量的。因此,只要是我们这个世界认识到的事物,就是一个原子、一个电子、一个光子也是三维物体。

三维空间就是我们存在的空间了,这个很好理解,就是有长宽高轴,也可以叫上下(高度),南北(纬度),东西(经度),这三对方向两两正交成为直角,一般把它们称为x、y、z坐标轴。

四维空间当然不是四维时空,而是在三维空间上加上一个额外的空间轴,通常称为w轴,这个轴垂直于x、y、z轴的坐标轴上。这一点很难想象,就像一个人有两只手,加上一只手加在哪里呢?是背上还是胯下?数学的描述是,这个额外的方向在我们所观察到的三维世界的方向以外。

需要指出的是,任何空间都有时间轴,因此四维空间实际上就是五维时空。因此后面就不赘述时间轴了,只从空间角度来阐述。

  • 四维空间的幻想

因为在我们三维空间,无法真正的体验四维空间到底是个什么样子,只能说是幻想。

在我们三维空间,要达到空间某一点,我们可以通过向前、向后、向上下移动,就能实现,也就是说需要三个方向量就能达到空间任意一点。从某种意义上来说,三维空间是无数二维空间堆砌起来的。

理论上,四维空间是无数三维空间堆砌起来的,需要往四个不同方向移动,才能够到达这个空间中的任意一点,这种空间这个就很难理解了。关键是除了长宽高,也可以说是除了上下、南北、东西等高度、纬度、经度之外,还需要沿着一对新的方向移动,在我们三维时空来说,这个新方向我们不但无法看到,也无法想象。

但硬是有一些人不屈不挠地去想象四维空间是个啥样子,比较著名的就是“克莱因瓶”原理。这个想象中的瓶子是著名数学家菲利克斯·克莱因在1882年提出的。

克莱因瓶的结构可以描述为:一个底部有一个洞的瓶子,延长瓶子颈部,让其扭曲进入瓶子内部,并且与底部的洞连接。这样这个瓶子就没有内外之分,也没有边,一只蚂蚁就可以任意爬到瓶子内外每一个位置。

但实际上,在三维世界永远也做不出真正的克莱因瓶,在三维世界,它毕竟还是有内外之分,而且只有在瓶颈与瓶底的连接通道上留孔才能够到达瓶子里面,因此它不可能是一个四维空间的物体。

我对四维空间的理解是,我们世界是一个圆球,我们生活在圆球里面,四维空间是在圆球内外我们无法知道的位置增加的额外维度,就像一只看不见的手,随时可以从三维空间将我们抓出这个本来封闭的球,就像我们抓取二维空间生物一样,让我们在球体里突然消失,这在我们看来,除了魔术,只有大神才能够做到。

科幻大师刘慈欣在其大作《三体》中,对四维空间描述的大意是:进入四维空间就像三维空间看待二维世界,将那里的生物一览无遗,而它们自己是看不到自己的。三维空间的我们也无法看到自己内部,而四维空间的生物可以看到三维空间的一切,前后左右、里里外外、发展变化、过去未来都尽收眼底,就连身体里内脏、血流、细胞也清清楚楚,没有任何界限,可以任意伸手触摸,取出。

而在美国科幻片《星际穿越》中,宇航员库珀掉入一个五维时空中,高级文明为他构建了一个无数叠加变幻方组成的四维时空,在这些方框的不同窗口,库珀可以看到自己在地球的女儿从小到大各个时期,并通过引力效应与女儿最终达成了沟通,传送给了她拯救地球的公式。

奇妙的是,这种沟通早在自己还在地球时就已经发生,对一些灵异现象女儿有所察觉,只不过还没有沟通上。这就说明在五维时空,时间没有先后顺序,可以截取任意一段。

库珀的女儿长大后成为世界顶级科学家,用库珀从五维世界给她发来的公式,让濒临灭绝的人类重焕生机。但由于黑洞重力影响,库珀在米勒星球1个小时相当地球7年,等他回到地球,女儿已经老态龙钟进入弥留状态。

这些就是人类对四维空间的理解,靠谱吗?我认为不,真正的四维空间是在我们这个世界无法想象的,就像二维空间的生物无法想象我们三维空间一样。

  • 我们世界到底有多少维度?

我们是三维空间四维时空的存在,这一点早就已经被人们熟知。但有些理论认为,宇宙本来是10维的,也就是9维空间1维时间,但现在这些维度有6维已经蜷缩了,缩小到我们看不见的空间里,只剩下三维空间一维时间了。

这就是所谓的弦理论或其升级版的超弦理论。这个理论认为,所有的亚原子粒子并非小点,而是类似于橡皮筋的弦,这些弦的尺度非常小,呈线状,有些有端点谓之“开弦”,有些是闭合的圈状谓之“闭合弦”。这些弦不停的振动运动,不同的振动运动方式就产生了不同的粒子。

1926年,德国数学物理学家西奥多·卡鲁扎试着在四维时空上添加一个空间维,也叫额外维度,让时空变成五维后,再将爱因斯坦场方程改写,就可以把当时已知的两种基本力,即电磁力和引力统一在一个方程中。

后来的研究认为,至少需要10个维度,也就是要有6个额外维度才能够建立起一个理论框架,而这个框架很可能解决引力、电磁力、强力、弱力等四种基本力的融合问题,也就是让爱因斯坦相对论的引力理论与量子力学兼容起来,是最有希望实现大统一的理论。

在一些实验中,如美国的费米国家加速器实验室,在观察MiniBooNE探测器发射μ中微子束的实验中,出现的现象完全符合弦理论模型,因此许多科学家现在对弦理论充满了兴趣和期待,希望在不久将来,能够对宇宙认识有一个新的突破。

弦理论很高深很复杂,俺也是通过学习才略知皮毛,有兴趣深入学习的朋友可搜集资料慢慢研究,这里只是常识性科普,就不多扯了。

总之,增加额外维度的空间在我们现实世界很难理解,存不存在也还没有定论,我们了解个大概就可以了,作为科普,没必要痴迷和深究。

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