四維、五維物體是什麼結構?三維人能觀察嗎?

看維度如何定義。

如果四維是時空,第五維度是空間,即愛因斯坦提出宇宙是空間加時間組成的“四維時空”。1926年,德國數學物理學家西奧多·卡魯紮在四維時空上再添加一個空間維,也就是添加一個第五維。

如果四維是空間,那麼五維也是空間的話,比我們多兩個空間維度。他們看我們就和我們看一維生物(線,只有前後空間)一樣。維度差別太大,目前連四維宏觀結構都還是推測(我們只能看到四維物體在三維空間的投影,不斷變化著形狀),五維只怕只存在理論研究中了。

四維、五維物體是什麼結構?三維人能觀察嗎?

三維球在二維平面上穿過的投影

所以,不管如何,第五維度相比我們三維人至少多出了一個空間維度。下面以維度為空間討論:

三維的物體經過一維的空間,不管原先是什麼性狀,在一條線(一維空間)上就只能是一條線,長短變化,也就是說,一維空間只能容納這點信息,太多的信息接收不到。一維空間的生物(如果有),看到的就只是一條長短不一的線,如果他們有二維的概念,那麼他們是分不清這是二維生物投影、還是三維生物投影,甚至更高維度。

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簡單的四維物體在三維中的投影

同理,五維生物在三維上的投影,我們是分不出他是四維還是更高維度,因為三個維度限制了高維度信息量的輸入。所以,不管我們怎麼猜想五維生物,在低維度視角下的我們,是無法得出其全貌了。但隔著一個維度,比如說簡單的四維物體空間,還是有些推測的可能。

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星際穿越中的三維人進入四維空間

在科學理論中,高維度在微觀尺度(至少比電子還要小十個數量級)下是存在的,但也僅僅限於理論研究。比如說“卡-丘”空間、弦理論等。但目前難以觀察。

1、“卡-丘”空間

卡拉比—丘成桐空間簡稱“卡-丘”空間,是指一個蜷縮的高維空間,在封閉的無物質場中物質的引力是存在的。這理論是科學家猜測出來的一個理論,它有六個維度。

該六維空間還沒有一個固定的模型能在計算機上展現出來,也沒有一種形狀能讓所有的物理學家都贊同。

但是,科學家們認為這些多出來的維捲曲在一種叫做“卡拉比-丘成桐”的空間結構裡,“卡-丘”空間的半徑小於億億億億分之一米,只有質子和中子半徑的億萬分之一!無法用任何辦法來考察到的,更別說鑽到裡面去看個究竟了。

要描述“卡-丘”空間幾乎是不可能的,因為它有六個維度。但是,還是讓我們試著去想象出一個圖景來吧。

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卡丘空間

“卡-丘”空間看起來就像紙團,然而,“卡-丘”空間的迂迴曲折和翻轉及其複雜,絲毫沒有一種規則可以用傳統的歐幾里德幾何描述,它們只遵循一種更為抽象的幾何學。從三維的角度難以理解。

2、弦理論

弦理論是理論物理的一個分支學科,弦論的一個基本觀點是,自然界的基本單元不是電子、光子、中微子和夸克之類的點狀粒子,而是很小很小的線狀的“弦”(包括有端點的“開弦”和圈狀的“閉弦”或閉合弦)。弦的不同振動和運動就產生出各種不同的基本粒子,能量與物質是可以轉化的,故弦理論並非證明物質不存在。

理論裡的物理模型認為組成所有物質的最基本單位是一小段“能量絃線”,大至星際銀河,小至電子,質子,夸克一類的基本粒子都是由這佔有二維時空的“能量線”所組成。中文的翻譯上,一般是譯作“弦”。超弦理論可以解決和黑洞相關的問題。

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弦理論

弦論中的弦尺度非常小,操控它們性質的基本原理預言,存在著幾種尺度較大的薄膜狀物體,後者被簡稱為“膜”。直觀的說,我們所處的宇宙空間可能是9+1維時空中的D3膜。弦論是現在最有希望將自然界的基本粒子和四種相互作用力統一起來的理論。

另外,“弦理論”這一用詞所指的原本包含了26度空間的玻色弦理論,和加入了超對稱性的超弦理論。在近日的物理界,“弦理論”一般是專指“超弦理論”,而為了方便區分,較早的“玻色弦理論”則以全名稱呼。1990年代,愛德華·維頓提出了一個具有11 度空間的M理論,他和其他學者找到強力的證據,證明了當時許多不同版本的超弦理論其實是M理論的不同極限設定條件下的結果,這些發現帶動了第二次超弦理論革新。


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