Question

有些科学家迫切想进入四维时空，他们是否发现了什么？

Answer 1

首先纠正一点，我们本来就处在四维时空中（三维空间+一维时间）。我想提问者的意思应该是进入第四维空间，那么我们就按照更正后的问题去回答。这个问题的答案还是属于科学范畴之内，但是许多人都将它联想到神秘的事物中去了。

我们知道，人类目前发现了四种基本力：引力、电磁力、弱力和强力。其中，引力是四种基本力中最弱的，科学家怀疑这是因为引力泄露到了其它空间维度中去。之所以会有这样的怀疑，那是因为引力可能会偏离平方反定律。

在三维空间中，很多定律都遵循平方反定律。例如，太阳光的能量密度随着距离的增加而呈平方下降。但是，科学家发现，在某些地方，引力的平方反定律似乎不太精确。可能的解释是存在额外的空间维度，引力泄露到这个额外维度中去。但是，这个额外的维度必须要非常小，以至于我们“看不见”它们。举个例子，对于一根电缆，当我们在远处看它时，我们会觉得这是一维的线。但是当我们走近看时，它是一个长的圆柱体，表面还有一个圆圈维度。这个例子说明了两点：维度可以是大的延伸的很远的，也可以是微小的蜷缩起来的。

所以，寻找第四维空间的任务就落在了引力身上，科学家利用引力波来 探索 其它维度的存在。2017年8月17日，美国LIGO天文台探测到了两颗中子星碰撞产生的引力波，同时美国空间卫星也探测到了来自同一事件的光。这是首次在同一事件中同时探测到引力波以及光，通过对比这两种现象，我们可以得到很多信息。

如果真的有第四维空间存在的话，那么引力波就将比预测的幅度还要小。遗憾的是，在经过数据的分析和对比之后，科学家并没有找到这种差异。这项实验没有找到第四维空间，但是也不一定意味着额外维度不存在，只是可能我们的引力理论需要修改。

事实上在20世纪80年代，物理学家们曾不顾一切地想把宇宙的四种基本力（万有引力、强互相作用力、弱互相作用力、电磁力）统一成一种单一的综合力量。他们第一次尝试发展成了所谓的超引力，但是由于大量的研究成果不一致和未经证实的预测，它不得不被放弃。另一个新兴的理论是弦理论。

这一理论诞生于20世纪70年代，但在80年代之前，它基本上被忽视了。80年代，这一理论再度流行，物理学家开始认真研究它。弦理论仍然是我们对宇宙的完整理解的最佳猜测之一，但是根据这个理论，宇宙存在于26个维度中！因此，奇怪的是，科学家只接触到其中的四个——空间的三个可互换维度和一个世纪前发现的时间维度。

这种荒谬一直困扰着哲学家和后来的物理学家。他们太好奇了，无法毫无疑虑地接受现实，他们想知道为什么现实是这样的。然而，最近发表在《欧洲物理学快报》上的一篇论文似乎揭示了为什么我们的宇宙可能只存在于四维空间中。

当从足够大的距离观察时，维度就不复存在了。只有当我们近距离观察一个物体时，维度才会出现。从相当远的距离来看，一张纸看起来像是一维的。然而，随着我们越走越近，这四面将逐渐向我们显现。现在，当我们走近时，会发现第三维:深度。

思考第四维有点困难，但是随着科学家越来越深入地挖掘，新的或更高的维度会出现。像洋葱一样，维度是多层盘绕的。有一个显而易见的假设，即在大爆炸后的一瞬间，所有的维度都占了上风，但由于某种原因，宇宙随后决定只展开前四个维度。物理学家怀疑其他维度是弯曲的，盘绕在奇点的空间里！

那么为什么只有四维？热力学第二定律禁止其他维度展开，这是宇宙的基本定律。新生的宇宙充满了辐射和亥姆霍兹自由能密度（这是一个对空间施加压力的热力学量）。

大爆炸后仅仅几秒钟，随着宇宙瞬间冷却，亥姆霍兹密度达到最大值，宇宙立即“冻结”。在这个阶段，宇宙以前存在于我们认为存在的每个维度，现在只局限于其中的四个维度。我们的宇宙展开到更多维度的唯一方式是，如果它存在于临界温度之上，这是一个地狱般的温度，在它被创造出来仅仅一秒钟后就肯定会冷却。

物理学家的发现类似于水的相变。一块冰转变成液态水的唯一方式是当它受热时，虽然这一理论直到最近才受到重视，使科学家转向解决这种困境的原则是人择原则。

根据人择原理，如果宇宙有任何不同，质疑其结构的智能物种就不会存在。

热力学第二定律主要解释了为什么时间只向一个方向运动，科学家称之为“向前”。该定律预测，宇宙中的时间方向与无序度增加的方向相同。然而，这个推理是不完整的。

正如熵似乎在增加，因此时间也在增加，因为宇宙仍处于膨胀阶段，这一阶段有利于智慧生命的萌芽，我们只在四维空间中体验宇宙，因为只有四维空间的盛行有利于智慧生命的开始和维持。

如果宇宙是二维的，生物体就不会到处移动。食物被消化和分解或者血液在体内循环的复杂方式在二维人体内是不可能实现的。那么，提出和研究为什么宇宙有四个维度的聪明物种，根本就不存在。

事实上，生物本身，即使是最简单的生物，也会消亡，因为地球将无法围绕太阳旋转。当两个物体之间的距离增加一倍时，万有引力的强度下降了四倍，但在五维空间下降了五倍，在六维空间下降了六倍。在更高维度的宇宙中，地球可能无法实现围绕太阳的稳定轨道，因此生物会被冻死。

也许形成太阳的引力压缩和气体膨胀在更高的维度上会有所不同，相比之下它们在四维空间中是如何发生的。也许太阳本身会过早坍塌成黑洞。即使是更高维度的原子也不会聚集并形成复杂的分子，这些分子随后会构成复杂的生命。

科学家们迫切想进入四维空间，可以把我们这个物种的长期谜团解开。这对物理学家来说也是非常鼓舞人心的，因为它代表了人类寻求统一四种基本力量的一个巨大飞跃，并最终代表了人类对宇宙是如何诞生、如何发展以及它可能走向何方的理解。

首先，科学家并没有像题主说的那样迫切想要进入四维时空，因为我们本身就生活在四维时空中。

爱因斯坦创立了相对论，统一了时间和空间，一维时间和三维空间变成连续的四维时空。那么，如果再多一个维度，例如，空间维度高了一维，五维时空宇宙会是怎样的呢？或者说四维空间会是怎样的？

目前，谁也不知道四维空间是怎样的，甚至就连高维空间存在与否都不清楚。但从理论上来讲，第四个空间维度是可以存在的，我们可以通过低维度的类比来推测五维时空应该是什么样子。

没有大小的点为零维空间，无数点组成的直线为一维空间，无数直线组成的平面为二维空间，无数平面组成的立体为三维空间，以此类推，无数立体组成的超体为四维空间。与三维空间相比，除了长、宽和高三个维度之外，还多出了一个我们所无法感知到的第四个维度。

那么，如果四维空间存在，生活中在其中的生物会是什么样子？人类进入这样的高维空间又会怎样？

关于四维空间，可以参考一下克莱因瓶。不同于三维空间中的瓶子，克莱因瓶是没有内外的概念，因为第四个空间维度连接着在三维生物看来的“内部”和“外部”。如果有一只苍蝇，它能够直接从克莱因瓶的“外部”飞入“内部”，通过第四个维度畅通无阻，并不需要穿过瓶身。

不过，像人类这样的三维生物进入四维空间中很可能无法存活。因为作为三维生物，其身体构造也只有三个维度，身体在第四个维度没有支撑，所以身体的内部会通过第四个维度直接暴露在外，这样就无法正常生存。

如果存在四维生物，他们可以通过第四个维度直接看到三维空间中的内部。如果有人在一个密闭的房间中，四维生物能够把房间内的人通过第四个维度直接转移到房间外，不需要通过房间上的门或者窗户或者其他通道，这对于三维空间中的我们而言非常不可思议。

如上图所示，想象一下，我们可以把圆圈中的二维生物（如果存在的话）通过第三个维度直接转移到圆圈外。

另外，由于多了一个维度，高维生物可以直接看到我们从出生到死亡的过程，四维时空中所发生的事情其实就是三维空间在一维时间轴上的演化。我们在三维空间中每个时刻所看到的事物，可以说是四维空间中的事物在每个时刻的三维“截体”。

根据M理论，宇宙中的时空维度达到11维，但我们只能感知到其中四维，另外七维高度蜷缩，我们无法感知。不过，这只是理论上的推测结果，目前还没有任何实验证据。