什么是四维空间?
2021-12-06
我们生活的这个世界存在三个维度,长、宽、高所组成的三维空间,如果再加上一维的时间,就是四维时空,即我们存在于三维空间或四维时空内。(时间不能算维度,但它贯穿于所有维度)说到这里,很多人或许在想,如果人类进入了四维空间(即五维梁颂时空),真的可以像电影中男主角那样穿越时空回到过去吗?
答案是不可以或者未知,因为维度有数学和科学上两种说法。
维度的说法最早来源于数学中,包括超弦理论中的11个维度都是建立在数学的基础之上,而数学中所有的维度都是在标准欧几里德空间的基础上探讨的。打个简单的比方,数学中的维度就是:一维是过一个点的一条直线,二维是过一个点的两条相互垂直的直线,三维就是我们数学中建立的相互垂直的XYZ平面直角坐标系的空间橡燃郑。以此类推,数学上的N维所指的就是过任意点做出的N条相互垂直的直线。
所以在数学的标准欧几里德空间内,人类是不可能进入四维空间的,这个四维空间仅仅只是用于解决某些数学问题所建段游立的模型而已,而电影中所说的维度和穿越到过去未来的维度是科学上的维度,这个维度是建立在闵可夫斯基空间的基础上进行探讨的,就像《三体》中的降维打击。
科学上的维度或许是大家最感兴趣的问题,因为如果真的存在科学上的维度,确实可以穿越时空去到过去和未来。但目前为止,科学并未承认世界存在四维空间,不过也没有否认四维空间一定不存在,至少目前没有发现它存在。
脑洞大开,假设存在科学上的四维空间,那么人类也是无法涉足的。
许多人认为人类存在于三维空间内,可以观察到二维空间内的生物,就像观察蚂蚁。其实这个说法是错误的,就算蚂蚁再矮它也存在高度,就算一张纸再薄,纸也不可能是二维的,因为组成纸张的分子原子都有长宽高,夸克再小都有长宽高,尺度再小也都比普朗克长度要长,所以我们所生活的三维空间内,一切物质必定是三维的。
有人认为影子只有长和宽,没有高,所以影子是二维的,这个说法其实也不对。影子不是一种实体物质,影子的存在只是因为它没有光。
荷兰艺术家就曾用他的雕塑作品描绘了四维空间,如果四维空间真的存在,那么里面的生物应该是一个三维生物所有生命轨迹的叠加。比如三维空间内你只能看到某个人在某个时间点上的一个状态,而四维空间你就能看到某个人在某个时间点上的所有状态,你看到的是整个生命的运动轨迹。
四维空间的投影就是我们的三维空间,也就是一个时间点下人只有一个状态。例如三维空间的投影就是二维的一个平面,二维平面的投影就是一维的一条线,是一个降维的关系。当然人类存在的三维空间是无法观察到其它维度的,如果三维空间的人进入四维空间,那结局很可能是死亡,因为三维的人缺少维度支持进入四维。
又或许,用三维空间内的理论知识来探讨四维空间,这本身就不合适。
简单来说,任何具有四维的空间都可以被称为“四维空间”。
不过,日常生活所提及的“四维空间”,大多数都戚清是指爱因斯坦在他的《广卖者义相对论》和《狭义相对论》中提及的“四维时空”概念。根据爱因斯坦的概念,我们的宇宙是由时间和空间构成。时空的关系,是在空间的架构上比普通三维空间的长、宽、高三条轴外又多了一条时间轴,而这条时间的轴是一条虚数值的轴。
在几何学中,0维是一个无限小的点;1维是一条线,在此维度下存在长度这个概念;2维是一个面,曲面或者平面上的图形存在面积仔埋派这个概念;3维则是在2维的基础上多了一念贺个维度,三维立体图形存在体积这个概念。四维又比三维多了一个维度,那四维空间中的图形又是什么样子的?
图形是由点、线、面、体等几何元素液正构成的。正所谓,点动成线,线动成面,面动成体,那么当一个立体图形动起来,就构成了四维空间中的物体。对于四维空间中的几何体,我们将之称为超体。
1,四维空间是什么样的。
2,四维空间在我们人类看到是什么样的。
现在分别来回答这物唤两个问题:
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一、
因为我们所处的空间是三维空间,我们无法直观体会四维空间。所以我们只能用递归的方圆枯式来侧面推断四维世界是怎样的。
①,一维世界。
假设我们在纸上画一条线,这条线是一个世界,上面生活着两人。他们各自是一个点,可以在这条线上单向的前后移动。在坐标系中,他们各位于 -1,1的位置。有一天,其中一个人在他们两个人中起了一面墙,这面墙也是一个点,坐标0,那这两个人就被这面墙挡住了。
我们这就创建了一个一维世界,了解了一维世界中生物的行动方式。然后我们来看二维世界。
②,二维世界。
然后我们在整个-1,0,1的一维世界直线外随便画两个点。这两个点是二维世界的两个人,这张纸就是他们的二维世界。
二维世界的人就可以在纸的平面自由移动了,他们觉得在一维世界的人很傻,只能前后移动,而且会被一个点挡住。如果两个二维世界的人之间有一个点,那他俩只要绕过去就行了。
然后,三维世界的我,就画了一个圈,把二维世界的一个人圈了起来。这样,二维世界的两个人,也被我们分割开了。
我们这就又成功的创建了一个二维世界,了解了二维世界中生物的行动方式。然后我们来看三维世界。
③,三维世界。
三维世界,题主和我在一个小房间,趴在一张桌子上拿着纸笔创造着一维和二维世界。我们可以随便走动,而且觉得二维世界的生物很傻,只能在一个平面内移动,而且会被一个圈挡住。如果三维世界的人被一个呼啦圈放在地上围住,那只要跳过去就可以了。如果二维世界的点生物是一只跳蚤,那也可以跳出圈去。
然后,四维世界的上帝,就用一个保险箱,把三维世界的题主关了起来。这样三维世界的两个人,就被上帝分开了。。。。
④,四维世界。
——————推论的分割线———————
虽然这个世界上没有人亲身感受过四维世界,但是我们还是可以从上面的递归中了解到。
1,低维度对高维度完全可见。就好像不管1维世界有多少点阻隔,2维世界都能看到。2维世界有多少圈圈住,三维世界都可以看到。
那么一个人无论被多少层保险箱罩腔凯锁住,在四维世界都可以看到。(看到所代表其相应的维度视觉,在后面会讲到。)
2,低维度对高纬度不可阻挡。1维的点墙,2维的圆环墙,3维的棺材,在其维度都无法穿越,但是在高纬
不过,日常生活所提及的“四维空间”,大多数都是指爱因斯坦在他的《相对论》中提及的“四维时空配拿磨”概念。
根据爱因斯坦相对论所说:我们生活中所面对的三维空间加上时间这一维即构成所谓四维空间。