為什麼人類想象不出四維的空間?

聚朋友之縱橫中外


不要說四維了,人類其實連三維空間都並不能真正掌握。

讓我們先談談相對簡單的事兒,比如成為一個優秀的職業棋手,需要哪些素質。成為一個優秀的職業棋手,最重要的能力之一,就是擁有強大的處理二維平面上圖形變化的能力,雖然中國象棋、國際象棋還是圍棋的棋子都是立體的,但這些棋類的遊戲的本質,其實都是二維平面上的遊戲。可就算是二維平面的遊戲,又有多少人玩得好呢?

圖示:真三維國際象棋,但沒有人真的願意下這種棋,這對人腦來說太難了。


但不要沮喪,因為我們的大腦,本來就不是用來下棋的。我們的大腦是用來生存和繁衍的。下棋這種事兒在從前都是吃飽之後的娛樂,與生存和繁衍無關。


雖然,人類生活在三維空間中,但其實我們並不能真的掌握三維空間。比如機械工程中,我們需要把三維物體拆開成二維物體才能真正理解並進行製造。機械製圖中著名的三視圖就是這個原理,將三維物體,投影到三個平面上,將其拆解成二維物體,這就是著名的三視圖(俯視圖、正視圖、側視圖)。這才是符合人類能力的理解方式。

圖示:飛機外觀的三視圖。


人類感知的其實是大腦合成的假三維體驗

我們的雙眼看到的其實都是二維平面,這是因為我們的視網膜就是二維的,所以我們根本不能真實地看到三維物體。我們看到的只是三維物體的二維投影。那麼人類是如何產生立體視覺的呢?

圖示:三維物體投影到我們的視網膜上形成的是一個二維的投影。還是一個上下顛倒的影像,不過這問題不大,大腦會自動將它糾正過來。

圖示:立體視覺原理

我們的左右兩隻眼睛基本位於同一個平面,這是形成良好立體視覺的需要。這樣左右兩眼所看到的影像就會稍有差異,大腦將左右兩張圖像疊合在一起,就能感知到立體圖像了。從前有種簡陋的立體照片,就是利用這個原理來獲得的,分別拍攝兩張照片,你在觀看時,將這兩張照片合二為一就會產生一個立體的幻象。

圖示:通過左右抖動畫面,是否覺得畫面中的金字塔多了立體感?


搞懂了這個道理,歷史上很早就有人制作出了三維電影,但是那時候技術條件有限,三維電影熱鬧了一陣就煙消雲散,直到三維阿凡達電影問世,那精妙絕倫的三維影像,才真正得到了觀眾的認同。自此之後,每年都有三維電影的大片問世。

實際上,通過計算機的換算,一些畫家可以在平面上畫出極其逼真的假三維物體,這充分證明我們的大腦中所感知的三維立體影像,其實只是一種幻覺。

圖示:比利時畫家本海因令人印象深刻的鉛筆畫。

用立體投影製造虛擬四維影像

不過,雖然我們不能直接在大腦中模擬出四維物體,那只是因為我們的大腦壓根不需要去想象一種壓根不存在的的東西,但自從我們發明了數學和幾何,我們就擁有了拆解任意維度的非凡能力,我們可以把難題變得簡單。


我們甚至可以給四維生命製作一個四維電影,只需要有真正的立體投影術即可。

圖示:立體投影儀投影的真3D地球影像。


既然人類能在二維平面上創造出三維幻象。那麼四維生命也能通過將四維物體投影到三維空間中,製造出四維幻覺,這裡我們假設它們的視網膜是三維視網膜,它們觀看的其實同樣是四維物體的三維投影,然後在它們的四維大腦中,合成為假四維影像。



著名的卡拉比-丘成桐六維空間

現在,我要說一下,不是所有人類都無法想象高維空間,至少某些人能用某些奇特的方式想象高維空間,比如大名鼎鼎的幾何學家卡拉比。1954年,卡拉比提出用一個具有某種特定數學性質的緊密蜷縮的高維空間來解決粒子物理學中遇到的問題。但當時幾乎所有數學家都不相信這樣的高維空間可以在數學上真實存在。注意,先不論現實問題,而是在理想的純數學世界中,這東西是否能夠存在。

雖然,卡拉比提出了猜想 ,但他自己並沒有證明這個猜想,最終是由中國數學家丘成桐證明,在數學上允許存在這麼一種特殊的空間,並且它至少有六個維度,即是一個六維空間。上圖就是卡拉比-丘成桐空間的三維立體投影。下圖則是丘成桐的故鄉,將這個圖形放在市廣場中心,作為紀念。

圖示:2018年12月22日上午,直徑2.6米高3.6米自重5噸的卡拉比-丘成桐空間雕塑,在丘成桐家鄉蕉嶺落成。



三思逍遙


我認為人類是可以想象出四維時空的樣子的。但是要讓人想象出數學上的四維空間的話,確實有一點困難。

我們生活的這個四維時空

愛因斯坦提出的四維時空,是時間和空間的統一體。時間被作為了一個獨立的維度來看待。雖然是一個獨立的維度,但事實上時間和空間是有關聯的,這個關聯就是真空中的光速c。這樣的四維時空就是我們所生活的這個時空。

我們日常生活的經驗,基本上都是在相對低速的情況下獲得的。所以我們很容易就可以想象的出一個低速的四維時空——這就是我們每日所見的時空。我們做夢,我們看電影都能夠重現日常對於這個四維時空的體驗。


但是,由於我們很少有在高速的情況下這個四維時空的直觀體驗,因此對於這個時空的真正的實景,我們仍然很難(但不是沒有辦法)去想象,這也涉及到心理學的一些理論,諸如感知和認知的心理形成方式。

閔可夫斯基和愛因斯坦就曾以幾何推理的和思想實驗的方式,進行了對我們所在四維時空在高速情況下實際體驗的想象,由此才給出了《閔可夫斯基圖》和《狹義相對論》。

上圖:閔可夫斯基圖——時間光錐。此圖是把空間投射到二維平面,從而實現把四維時空投射到三維透視畫法的投影(實際還是二維,就跟我們欣賞畫作一樣)。


數學上的四維時空

數學上的四維空間,第4維度就不一定是時間了。這裡的第4個維度,實際上和前三個維度沒有任何差別。他們都是可互換的完全等同的空間自由度。這樣的四維空間完全是邏輯上抽象出來的,並不是物理現實。這個四維空間常常與愛因斯坦提出的四維時空相混淆,讓許多讀者混淆兩者的概念。因此我們不要把下面的這種四維空間的立方體的示例認為是愛因斯坦四維時空的一個想象圖——

上圖:數學上的四維空間在三維空間的投影(這不是四維時空的演示,我們的世界絕對沒有這樣怪誕的情形)

要理解這個四維空間在三維上的投影都十分困難,更不要說在自己的腦海中去想象這種四維空間了。

結論

我們並非想象不出四維空間,只是想象不出遠離我們生活體驗的那種四維空間。畢竟我們就生活在四維時空之中。


小宇堂


四維空間到底存不存在,現在是個未知數,但是假如它存在,那麼就可以通過某種形式影響三維空間,進而被我們感知到。

現在,我帶大家做幾個簡單的試驗,來展示高維空間可能對低維空間產生的影響。

首先,準備一張A4紙,在上面畫一個毛毛蟲,起名叫作“蟲蟲”。蟲蟲是個二維生命體,一生都生活中這張A4紙上,並且認為這就是它的宇宙。它也熱愛研究物理,它發現宇宙的大小是210mm×297mm(A4紙大小),宇宙質量是4.37克(A4紙的大概質量),而且宇宙是個光滑的平面。

蟲蟲只能看到自己的宇宙,它很快就把宇宙研究透徹了,認為自己是偉大的天才……

然後,你拿著以下工具登場了,剪刀、一杯水、手電筒。蟲蟲萬萬沒想到,還有個三維空間智慧生物,正饒有興致的看著它和它的宇宙!

現在開始實驗:

第一步:你拿著紙,捲了一個桶狀,蟲蟲發現自己瞬間從宇宙的一端到了另一端!這太不可思議了!




第二步:你在紙上潑了點水,蟲蟲發現它的宇宙質量變大了,這是怎麼回事??(當然是因為紙溼了……)






第三步:你拿手電筒在紙上照了一下,蟲蟲發現自己宇宙中的某個地方溫度升高了!!(光帶來的熱輻射……)



第四步:你拿剪刀在紙上剪了個洞,蟲蟲走到這裡,不小心掉了下去,離開了它的宇宙!哦!最後,蟲蟲終於被你整的崩潰了!!



我們看一下這幾個試驗,很簡單、也很理所當然,但是裡面可有大學問!!

首先蟲蟲只能生活在它的宇宙中(紙上),它看不到三維空間,它所研究的物理學只在紙上成立。因此它不可能理解三維空間的物理。

那麼,我們潑水,對蟲蟲來說,就是它的宇宙質量無緣無故地增加了;我們照射光輻射,就是它的宇宙溫度無緣無故地升高了;我們捲曲紙張、剪個破洞,就是改變了蟲蟲宇宙的空間結構,讓蟲蟲在它的宇宙中穿越或者消失……

同理,四維空間也可以影響三維空間,而讓我們無法解釋。你可能會說,四維空間不一定有智慧生物!其實不需要有智慧生物,只需要有物質,例如四維的星體,如果它和我們的三維空間相接近或者相接觸,都可以對三維空間產生影響!(三體這本書中提到了降維打擊,有點相似)

那麼我們世界中一些尚且無法解釋的現象,例如看不見的暗物質、找不到的暗能量,為什麼不能解釋為四維空間對我們的“潑水”和“照光”?!

還有如一些神秘現象,例如幽靈船(船員莫名消失)、百慕大三角等,為什麼不能解釋為四維空間對我們空間結構的改變?!

當然,我希望這些問題,都能在我們自己的宇宙中,用我們的物理學找到答案;但是如果未來真的做不到,不妨考慮一下高維空間影響的可能性。而且,我們一定可以通過這種影響,部分地倒推出高維空間的景象。

所以,如果四維空間真的存在,我相信人類一定有可能描述它的景象!或多或少而已!

畢竟,“蟲蟲”只是蟲蟲,而我們,是智慧生物!!



東昇西落——專注回答科普問題的理科男,研究生學歷,酷愛物理學及科普著作,高中時就加入物理興趣團體,登過天文臺,看過望遠鏡,找過室女座……。

回答特點:力求通俗而準確,嚴謹而活潑

有問題的歡迎討論回覆,喜歡的話煩請關注,謝謝!


東昇西落


大家有沒想過,我們所處的宇宙,其實是一個多維宇宙。

但可惜的是人類僅僅只是三維生物。

所以在我們的認知中,世界是以三維的形式呈現的 —— 一個只能用長、寬、高來測量實體的世界。

三維世界中,一個空間只存在三條相互垂直的線 x,y,z

而在四維空間中,卻存在著四條可以相互垂直的線 x,y,z,t

而在四維,甚至更高維度生物眼中,除了長、寬、高之外,時間也有可能是具象的。

就跟《 星際穿越 》中所描述的一樣,時間對於它們來說可能就是一座山,可以爬上爬下。

在物理的四維時空中,時間是除長、寬、高以外的第四個維度。

而在數學的四維空間中,第四個維度是未知的,可能是時間,也可能不是。

不管是哪個維度的實體,其實都有可能被我們所觀察到,那當我們( 三維生物 )看到四維的物體時,眼前會是怎樣的畫面呢?

首先,我們先來理解一下維度。

一個點,因為沒有方向,沒有大小,所以它是零維的。

但要是空間如果同時出現了兩個點,這時候它們就有了固定的指向,從點 A 到點 B 是有距離( 也就是長度 )的。

長度作為維度,就使得線成為了一維物。

兩線確定一個面,此時,面不僅有了長度,還有了寬度,所有它是二維的。

但不管在一個面上,是畫個人還是畫坨屎,它都只存在於平面上,沒有厚度,一旦賦予了它厚度,它就變得立體起來。

長度、寬度、厚度,構成了我們所在的三維世界。

在藝術家 M.C Escher 的畫中,

二維的蜥蜴正試圖變為三維實體,逃出畫面

目前為止,從零維到三維的世界,我們都很好理解,因為高維生物能全面的、完整的觀察到低維世界。

人類甚至不能在一個空間內對同等維度的物體進行完整觀察,這就是為什麼我們並不能透視。。。看不到牆壁背後的東西。

但接下來的四維可能就有些抽象了。

我們只有三維認知,而沒有對更高維度的直覺。

所以四維物體呈現在我們眼前時,不管我們怎麼看,對它的認識也只能是三維的,如果想要直觀全面的看到它,甚至只能通過二維的圖像。

而如果我們想要看到它的每個面、每個角、每個點,只能不停的變化它的角度,也就是說一次只能看到這個高緯度物體的一部分。

四維物體的三維世界中的橫切呈現

試想一下二維世界的生物如何看到三維世界物體,可能對理解會有些幫助。

假設一個紙片人,想看看人類世界( 三維世界 )的球體長什麼樣,它眼裡出現的畫面是什麼樣的呢?

當然是球體的截面。

三維物體在二維生物眼裡,只是一個截面。

紙片人通過橫切面展示法看到的球體,

會是一條從短變長,再從長變短的線

對,這個時候,限制我們想象的不是貧窮,而是維度。。。

在四維空間向量中,第四個維度( 有可能任何無法我們目前無法測量的東西,你要說是一種意識也不是不可以 )是未知的,所以四維物體哪怕一個面一個面被展示在我們眼前,仍然很抽象。

四維超立方體球形投影后的模樣:

不過,要是我們把第四個維度假設為我們熟悉的時間,也就是物理四維時空,就比較好觀察了。

如果說,我們把一個人的靜止狀態,看做是是三維世界裡的一個物體。

那加上時間這第四個向量,它就變為了四維生物,把它被逐步呈現,我們看到的四維萌妹就會是這個樣子。

當然,當我們想要以上帝視角去看,甚至去想象這個不停變換的四維萌妹,在靜止狀態的全貌是什麼樣子時。。。

你能想象一個個體在 3 歲時,同時也是 70 歲嗎?它能長什麼鬼樣兒?

emmmm,是不是大腦一片空白?

我是誰,我在哪兒,我在幹什麼,忽然一下子就哲 ♂ 學了呢

在偌大的宇宙裡,人類是如此的渺小,很多現象我們沒有辦法解釋,甚至沒有辦法想象。

也許整個銀河系,也不過是外星人手裡的一顆棋子罷了。。。

但這並不表示未知不存在,別忘了我們還有科學、科技,通過它們我們正在離未知越來越近。


差評





人類是一種三位生物,由於生存維度的侷限性,人類是想象不出四位空間的,今天科學家所討論的四維空間理論,究竟是不是真正的四位空間,沒有一個人知道,也沒有人可以下絕對論斷,甚至四位空間究竟是以一個什麼樣子的方式存在,都是人類不能確定的一個命題。



零維、一維、二維、三維,這都是人類對世界認識的主觀意識上的表現。

我們在今天的科學理論中,常常將一個沒有長寬高定義的點,定義為零維,而把有長度的一條直線定義為一維,把有長和寬的平面定義為二維,把有長寬高的空間定義為三維。



為什麼會出現這樣的定義,這實際上是因為我們人類是一個三維生物的緣故,正是因為人類是一個三維生物,因此才會有長寬高這種數學上的認識,但是這種定義適用於四位世界麼?這很顯然是有問題的。



人類對四維空間的認識,都源自於人類過去的理論積累,但這種積累並不是絕對正確的。

比如我們人類科學家今天在定義四位空間的時候,會把時間作為四位空間座標中的一個重要相量,但是問題來了,在四位世界中,時間維度真的存在麼?什麼是時間,這是一個我們人類至今都沒有想清楚的問題。

現在在國際上出現了這樣第一個論點,那就是時間並不存在,時間只不過是人類在自我意識中產生的一種錯覺,關於這一點,著名的科學家愛因斯坦就已經在相對論中提出了這個觀點。

在過去的傳統物理學理論中,科學家們習慣性的把時間和空間分開,即時間是由一個個獨立的空間被串聯起來組成,但是這種理論卻無法解釋一個傳統的現象,那就是物體是如果運動的,而這個問題則在愛因斯坦提出的相對論中,有了初步的解答。



在愛因斯坦看來,人類生活的時間和空間是相互關聯的一種聯繫,所有已經發生的和即將發生的事情,都被包容在裡面,而只不過是由於人類意識上的原因,使得人類的大腦只會記憶過去,而意識只能感覺現在。



麻省理工學院的物理學家Max Tegmark稱:“我們可以將現實描述為一個事情隨著時間不斷髮生的三維空間,也可以描述為一個沒有事情發生的四維空間。如果第二個理論是真實的,那麼時間的變化就真的只是一種錯覺。過去、現在和未來都在那裡。”



所以從愛因斯坦的相對論的理論角度上來看,時間實際上就不是一個可以存在的向量,那麼以時間去定義四維空間的維度,這很明顯就是一個比較大的錯誤。



四維世界就是一個什麼樣子,目前的科學家所提出的都是沒有經過證實的假說而已,這個主要和人類是一個三維生物有這決定性的關係,因為維度上的侷限性,使得人類難以跳開固有的四維體系去認識新的維度理論。



我們在網絡上看到的四維模型,實際上都是從人類的視野角度在思考這個問題,而客觀上四維空間究竟是怎麼回事,人類到目前為止還是以想象為主,普通人無法理解和想象四維空間究竟是一個什麼樣子,這太正常了。


落下m


這是因為低維生物,眼裡看不到高維生物,高維生物也無法理解低緯生物,要想理解,就需要先知道維空間理論,什麼是維?

維空間是90年代的超弦理論的一種,宇宙是十一維構成的,而我們所處於三維。根據理論,零維就是一個點,沒有長寬高。一維是一條線,沒有寬,沒有面積,體積。

二維就像電視上的畫面一樣,就是一個平面,只存在上下,左右不存在前後,只有面積沒有體積。

三維則又多了體積,有了前後,而我們所處的就是三維。


四維則又多了空間。


上面的圖片是根據理論,推測出來的四維,你可以試一下看看能不能找到最高點,這對於我們來說似乎是不能理解的,因為無論哪個角都是最高角,哪個也都是最低角。對於四維生物,我們更是想象不出來。





有人可能會問,為什麼我們能想象出二維,卻想不出四維空間是什麼樣?原因其實很簡單,因為我們的眼睛就像是攝像機一樣,而我們眼睛看到的畫面是二維,只不過我們的大腦,把眼睛看到的二維畫面以三維影響呈現在腦子裡。因為我們眼睛看到的就是二維畫面,所以我們能夠想象出二維。如果有興趣,你可以嘗試一下,把你眼前的事物想象成畫面,這樣你看到的就像是二維一樣,不過這僅僅是我的推測。

而我們想象不出四維的原因,和我們想象不出一維的原因一樣,因為我們無法以直接或間接的方式,看到或接觸到。


奇異秘聞


《空間學》

 

――安徽浩至然航天科技有限公司束祖祥

 

     今天,我僅代表安徽浩至然航天科技有限公司科研團隊技術團隊,在此適當發佈有關《空間學》的前沿科技的信息。只敘說,不解釋。不當之處請磚家用磚大膽來砸吧!

    對空間物理狀態的描述採用一維、二維、三維這樣的維數方式命名本身就是非常低級錯誤的,再對這錯誤的維數空間用數字簡單遞增方式延伸出的四維、五維、六維的概念甚至更多維數的空間並進行探索,更是愚蠢到極點!但是一直以來,物理學家們都在苦苦探索找尋四維空間、五維空間或者更高維數空間。好像一維、二維、三維空間都已經被探索得“乾淨徹底”了,沒啥可研究的了。

    但是科學家們卻似乎從來沒有認真去找尋、去發現一維空間一個天大的漏洞:

一維空間本身在現實中根本不存在!

    這個重要課題都沒有人去認真對待。其只是數學模型中為了模型計算定位方便而設置的一個無限小且虛擬的點而已!這個點可以設置在任何地方,但是那些地方卻找不到一個正真存在的無限小的點。

    誰能在現實中找到這個一維空間的點,獎勵金1億元!獎勵國家級特殊榮譽也是當之無愧!

    二維空間本身在現實中也根本不存在!

    其也只是數學模型中為了表達一個無限超薄的虛擬的面而設定的!

記得上學時候數學老師解釋維數空間時,說過螞蟻這樣的生物生活在二維空間裡,因為螞蟻只在平面上運動,無法知道z軸方向的世界是什麼樣子。當時我們就反對這一說法:因為農村環境長大的我,曾經多次趴在地上用放大鏡仔細觀察螞蟻的生活。螞蟻本身是三維立體的,它在凹凸不平的地面上、樹枝上和石頭縫隙裡面爬行,這些環境本身也是三維立體的!螞蟻怎麼可能是生活在二維空間裡面的生命。只是我們太小看螞蟻了而已!或許數學老師僅僅想用螞蟻世界做了一個形象的比喻來解釋二維空間的概念,我們不必太較真。

    能在現實世界找個唯物主義的二維空間給全世界的科學家們看看?給他頒發國家級物理學二維空間發現獎,我們雙手贊成。

    三維立體狀態是物質空間的基本形態!物質空間的基本形態是可以用三維立體的尺度去考量的!因此而言:三維只是描述物體在某種空間的形態的一種數學方法!不是空間本身。可以按照傳統稱謂,把我們目前所認知的空間叫做三維空間或者其他名字。其中的三維物體廣泛存在!形象地說:一個漂亮的行李箱子有長寬高的尺度,但是不能用長寬高來代替箱子名份和實質。空間如果不用一維空間、二維空間、三維空間來表達,那又用什麼概念和詞彙來正確地表達呢?

    我們安徽浩至然科研人員認為:

《空間學》是基於傳統物理學、化學等學科之上的一個最根本性的基礎自然科學範疇,它包含了目前的物理學、化學、生物學等等基礎科學領域。浩至然科研團隊根據各種空間的主要物理屬性來重新劃分、定義空間覺得是比較適合。

目前我們以空間物理屬於定義了:

質態空間:含有質量及其相應匹配作用場屬性所表現出的區域狀態。

虛態空間:含有虛量及其相應匹配作用場屬性所表現出的區域狀態。

A態空間:含有A量及其相應匹配作用場屬性所表現出的區域狀態。

B態空間:含有B量及其相應匹配作用場屬性所表現出的區域狀態。

……等等。

其中質態空間就是我們所說的三維空間,有很多我們看得見摸得找的東西。是唯物主義者的主要領地。隨著科學研究的深入,三維稱呼隨著科研地深入,必須要改變了。

每個空間按照各種屬性還劃分出其它種類空間:比如質態空間再按照時間概念劃分,可以分為:有損空間、無損空間、未來空間、過去空間等等。其中的質態空間下的字空間之一的有損空間就是我們日常所說的三維空間,包含三維物質和匹配的空間尺度,具有物質與時間同步衰變的特徵,當然充分掌握一定衰變的科學原理可以逆向修補,始物態返回到衰變的初始點。

虛態空間、A態空間、B態空間、等空間其中也是有豐富多彩的各種子系統空間的!其中也有豐富的物理學、生態學等等自然科學、社會科學、以及與之匹配的科學技術。需要我們進一步在大千世界尋找門徑,真誠拜學。

至此,《空間學》研究的大方向有了,有待我們進一步深入地去探索神奇的空間、神奇的世界。

我們安徽浩至然航天科技有限公司研發的第一艘飛碟“銀河之貝”的飛行速度是:0-無窮大!很多人無法理解無窮大的速度是什麼概念,因為受傳統一維、二維、三維、四維的毒害,反而鄙視我們是“民科在海吹”。藉此《空間學》的探討話題,在此告訴大家:“銀河之貝”無窮大的速度就是不需要時間!那是因為:當“銀河之貝”啟動空間轉換器,飛碟將從質態空間進入虛態空間。在虛態空間主導的狀態下,移動到任意位置不需要時間。從而瞬間到達百萬光年之外遙遠距離的位置。質態空間的遙遠的宇宙星體之間的距離不再是遙不可及!起飛就可以到達!

沒有正確的《空間學》作指導,就無法深入研究飛碟動力和星際飛行最佳方式。所謂四維空間、曲率空間會把我們帶入歧途,越走越神秘,窮途末路中最終浪費科研工作者寶貴的時間。

雖然說得和唱得一樣,但是我們還有許多迎面而來的無數重大、重要科學前沿課題需要解決!科學知識再次大爆炸,將從《空間學》起爆!在此間探索的科學家們不在閒得很無聊,無所事事,而是像一群想在大海捉魚的少年,面對密密麻麻豐富多彩的魚群在咫尺身邊來回穿梭,不與自主地興奮起來!大家趕緊抓魚啊!

在此僅僅略表一二,已經洩密夠多了。就不多說了,再說多了是嚴重洩密了!

傳統空間概念曾經錯誤地劃分空間必須得到糾正,也到了該糾正的時候了!


浩至然航天科技


讓你想象一顆樹、一隻貓、一隻狗,這確實很容易,即便再難一點,這顆樹長著紫色的葉子,分了三個枝杈,同樣我還能想象出來,但是如果你讓我想象,樹的葉子顏色很特殊,不像綠,不像紫,不像任何一種已知的顏色,而且樹的形狀也奇形怪狀。

這讓我想象,是真的想不出來了。

三維空間挺好想象的,我們都生活在其中,而我對於高維空間的想象,則全部來源於科幻小說或者科幻電影中,我對數學上的線性代數、幾何並不是有點兒清楚。

零維、一維、二維、三維,這幾個低維很容易理解,但攀升到四維之後,就難了,因為有一條維度是人類看不到的,也是從未見到過的。

愛因斯坦曾認為咱們的宇宙就是四維的宇宙,在我們所認知的三維空間之上還有個時間維度,即時空就是我們的宇宙。

在《三體》中有過人類進入四維空間的描述,是非常震撼的,原本在三維世界中存在著物體的遮擋與封閉,但是在四維空間中一切都不存在了,甚至可以看清楚身體的每一個器官與血液流動。

我覺得,在四維或者高維空間中,任何低維事物闖進去,將不可避免的遭受巨大信息量的衝擊,因為高維的世界包含了低維的一切。

在四維空間中,有可能連物理定律都與三維不同,無論是物質的基本組成還是電磁波傳播的速度。

在四維空間中可以抵達三維空間中任一點,如果說二維事物抵達三維看起來就像是一個扁片的話,那麼同樣的,三維事物抵達四維,也就像是一個“扁片”。


科幻船塢


為什麼想象不出來?那是因為在我們的印象中,世界就是三維的,我們沒有見過四維世界,因為人是三維生物,對於更高維空間無法感知,就像二維生物螞蟻同樣也無法理解三維世界。

高維空間作為幾何對象是很難理解的,作為代數對象卻相對容易理解。根據我們日常對一維、二維、三維空間的印象。一個空間有多少維,就是在這個空間中能做出幾條互相垂直的直線,或者說有幾個相互垂直的方向。以此類推,四維空間就是在左右、上下、前後之外,還有一個與它們垂直的方向的空間,這個定義一目瞭然,但是人腦卻很難想象出來。



這個世界只有三個維度,在19世紀的時候人們就已經認識到世界上有更高的緯度,但是那個時候人們認為是靈魂的維度,而在愛因斯坦和他的老師閔可夫斯基之後,四維物理學才正式誕生。但是這裡的第四維度是時間,而且時間在數學表達上和空間維度不一樣,它們相差一個負號。而真正有意義的空間高維度理論卻來自於弦論,弦論以及其後續的M理論允許空間十個維度,時間一個維度的世界,我們人類無法想象出這樣的空間高維度,因為我們只生活在三維展開的世界上,更高維度蜷縮在極小的尺度。想象一根細線,你從遠方看的時候覺得是一維的,但是對於一隻在那上面的螞蟻來說,便是二維尺度的。



僅僅是靠人眼是很難想象四維空間的,我們可以藉助數學中的代數來加深理解,四維空間就是在三維空間的基礎上多加了一個時間。相當於在立體幾何的座標基礎上,加上了與長寬高都垂直的一個方向的空間,我們把四維空間表示為(x,y,z,t)而人類卻可以表示為(x,y,z,0)。我們這個世界雖然存在時間的概念,但相當於四維空間中的t值變成了0,我們這個世界是四維空間的一個“投影”,而四維空間中的時間與長寬高相互獨立,與我們的世界沒有交集,無論怎麼樣我們都不可能與四維空間在同一個時間裡,自然無法想象。

嚴格的來說,我們生存的宇宙空間微觀上是不連續的,按照廣義相對論的觀點,時間和空間應該是“交纏”在一起的,共同構成一個有複雜整體的四維洛倫茲流體形。我們局部看到的時間和空間可以分開,空間好像是“線性空間”,不過是因為我們的視野太小而已。


鏡像宇宙


四維、三維、二維、一維這些名詞最多的還是在網上看到的,下面這些回答大部分也和網上的差不多。我不知道這些解釋最早出自於哪裡,維度又和時間相關聯,貌似又變得很複雜,我曾經對於那些解釋也比較相信,但感覺又經不起進一步推敲,藉著這個機會正好說說自己的看法。



時間屬於維度嗎?

這個可以肯定的說,時間不屬於緯度,四維空間並不是三維+時間軸組成,也不要把四維空間和數學中四維模型相混淆,時間是什麼?時間只是人們虛擬出來的一種計量方式,用來表述物體的運動,也就是說,如果整個宇宙包括原子都是靜止的,那麼時間就是靜止的,時間是由物質運動所產生,因此時間旅行是不可能實現, 這裡要補充一點回到過去,是不可能的,但是有可能會到達未來,因為時間是由運動產生,物體的相對速度不同,如果相對速度差別很大,那麼他們所經歷的時間就會相對不同,運動慢的物體時間就會過得比較快,運動快的時間就會過得比較慢,因此運動快的相對於運動慢的就好像是穿越到了未來,這其實就是愛因斯坦相對論。既然時間是不可以回到過去,一直向前,所以就不可能是四維空間的一個維度。反過來說如果是四維空間的一個維度,那麼肯定是可以回到過去的,就像你可以向前走也可以向後走,所以長度是一個維度。



空間只有三維,沒有其它維度

一個點、一條直線、一個平面都是三維的,根本不存在零維、一維、二維,因為構成物質的粒子是三維的,你在一張紙上畫一個點、一條線,包括這張紙都是由基本的粒子構成,當然是三維的了,人只能看到平面的東西,但是可以在大腦中將平面東西轉變為三維,按照這個規律,如果人類要發現四維空間,就必須直接觀察到三維,而且還要取決於人類的大腦能否將三維轉化為四維。就像色盲無法看清顏色一樣,這是由於身體機能的限制,同樣受制於身體機能的限制,人類只能觀測到所謂的二維圖像,無法觀測到三維立體,所以人類是永遠都無法想象出四維空間的,就像畫鬼容易畫人難,去虛構一個大家都沒見過的東西顯而易見是容易的,這也是網上有很多四維空間想象圖的原因。


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