深度科普:四维空间,与三维空间到底有什么区别?

深度科普:四维空间,与三维空间到底有什么区别?

“请大家注意不要随意动用手,以免触碰到他人的心脏或自己的内脏。”褚岩提醒道,“不过,尽管力量不大,但可能会引起疼痛或恶心,甚至造成轻微感染。同样,不要随意触碰周围的物品,除非你确切知道那是什么。现在飞船内的一切都是直接暴露的,你可能触碰到高压电缆、高温蒸汽,甚至集成电路,这可能导致系统故障。总之,尽管在三维世界中,你们现在拥有神一般的力量,但要学会适应四维空间,才能发挥这种力量。”

试想一下,这样的四维空间,究竟是何种模样?它是如此奇妙,却又难以理解。实际上,在我们的世界里,我们甚至无法想象四维空间的真实面貌,因为“真实”本身是否存在都无人知晓。也就是说,不同维度的空间,彼此之间无法窥探。

数学模型中,我们可以从零维到更高维度进行描述。零维通常被认为是一个点,但这个点远非我们用笔在纸上所点的点。它是一个无穷小的点,没有直径,没有长宽,是一个无体积的点,正如我们所称的引力中心或奇点。而笔尖所点的点,无论是纸张还是那个点本身,都是有面积和体积的,虽然体积微小,但依旧存在。

一维空间是一条线,这条线并非我们通常理解的线,也非画笔所画的线。它是一个只有长度,无粗细,无直径,也即无宽无高的线,因此没有体积。二维空间是一个平面,如同一张纸,但并非纸,也非任何薄膜,它有长有宽,却没有厚度,因此有面积,却无体积。

零维、一维、二维空间,对我们所生活的三维世界而言,属于低维空间。我们的世界,由于比二维多出一维,这使得我们拥有了立体感。尽管我们所见的世界仍是平面的,但我们能够描述立体世界。

关于这一点,我们可以这样理解:我们所见的物体,只能看到其正面,而非其后面,这仅仅是因为双眼的存在,让我们能够观察到更多的侧面。然而,正是因为我们有上下高低的概念,我们才能塑造出物体的立体形象。

那么,低维空间中的生物是如何生存的呢?数学上所描述的零维和一二维空间中,如果存在生命或文明,它们的生存状态如何?在我们三维世界,这几乎无法想象。许多人曾设想过生活在这些空间的生物会是什么样子,包括已故物理学家霍金在内的一些科学家,也曾对此进行过设想。

流传的说法是,零维和一维空间的生命无法想象。而在二维空间,生物的视角仅限于一个维度,它们永远只能看到前方的一条线,相遇时无法让道或逾越。因为所有物体都处于一个没有厚度的平面上,所以任何“线段”都能遮挡视线。因此,二维空间的生物无法拥有消化器官,因为如果有一根从嘴巴到肛门的消化道,将会把身体一分为二。

它们如何进食和生存呢?即使不需要进食,而仅需吸收能量,如果有能量从一侧辐射而来,如何进入这种生物的身体呢?因为这种生物没有厚度,甚至连一个电子的厚度都没有,能量如何进入?

因此,如果真的存在低维空间和低维文明,在我们三维世界,是无法想象其状态的。

然而,在刘慈欣的《三体》中,他描述了一个二维世界的景象:一个高级文明向太阳系投掷了一个二向箔,这是一种降维武器。在二向箔的打击下,太阳系被压成了二维世界,每个星球、每个原子都被压扁,就像梵高在精神病院创作的《星月夜》一样。

小说还描绘了高级文明为了躲避更高级文明的攻击,将自己降维为二维生物,以苟延残喘。

这些描述充满了矛盾。因为即便一个原子被压扁为二维,没有了厚度,其面积也是不可想象的。一个原子的直径约为10^-10m(米),即厚度也是10^-10m;普朗克尺度约为1.6*10^-35m,比原子小了25个数量级。也就是说,当1个原子被压扁成一个1.6万亿千米直径的大圆时,它仍然有普朗克的厚度。

几个原子被压扁到普朗克尺度,就会变成一个光年级的圆饼,而一个尘埃由亿亿个原子组成,整个太阳系被压成二维,那将是一个无法描述的场景。

实际上,如果真有二维宇宙存在,粒子与光子被压扁至无厚度、不复存在,那什么构成了所谓的生命与文明呢?将电子或原子铺开成平面,它们会变得无穷大,足以包罗整个宇宙,那又怎能以梵高《星月夜》的视角来观察太阳系呢?

所以,我们这些凡人还是放弃那些不切实际的猜测吧,毕竟低维世界是完全超越我们理解范畴的,说什么消化道不过是一派胡言。

正因如此,人类的认知仅限于三维世界。生活在三维宇宙中的我们所见的一切——无论是蚂蚁还是病毒——都是三维实体。三维世界的构成可以由长、宽、高三个维度来描述,它们构建了所谓的“空间”。在此立体空间中,世间万物循环往复、生生灭灭,而这一切的变化则被时间记录着。

换句话说,时间是三维空间内的一个维度,它如同一根轴,自x、y、z三个维度构成的空间里延伸而出,一往无前。闵可夫斯基曾将这种构想称之为四维时空。

爱因斯坦的狭义相对论赞成闵可夫斯基关于四维时空的观点,并巧妙地将时间、空间、物质和运动融合在一起,他认为我们的世界是四位一体的,不可分割,它们互相依赖并遵循相对性原理。广义相对论中,爱因斯坦进一步阐述了由质量引起的时空曲率,将其视为宇宙运动变化的根本所在。

这便是三维空间的真谛。闵可夫斯基所提的四维时空,本质上即是一个动态化的三维空间,与所谓的四维空间在性质上是截然不同的两个概念。

在探讨不同维度空间的理解与区别时,四维空间在数学和物理领域通常被称为“欧几里得四维空间”,即在三维空间的三个维度上增加一个具有相同性质的维度。至今没有人能够明确解释这一新增维度的定位,也无人能为四维空间给出一个足够确切的定义。有人猜想,我们或许能够见证四维空间的现象,但却无法意识到那就是四维空间。

为了启发人类的想象力,有人借用了莫比乌斯环和莱茵瓶。我们假设蚂蚁是二维生物,它们只能感知前后左右,不具备上下的概念。因此,在二维平面中,蚂蚁若不越过边界,便无法抵达另一侧。

但如果将平面变为莫比乌斯环,蚂蚁便能不越界而抵达对面,并最终回到原点;至于莱茵瓶,则是一种思想实验,在这个瓶中,无需穿透表面,物质便能触及内外表面的任何位置,这象征着一个四维空间。然而,在我们的三维世界中,制作一个真正的莱茵瓶是绝无可能的。

但这种想象依旧局限于三维空间的思维模式:我们自认为能够全视角观察二维生物,轻易提起它们跨越障碍进入新空间;而四维空间的生物则可以像三维世界的我们对待二维生物一样,洞察我们的过去和未来,随意改变我们所在的时空位置。

我们可以用更直观的比喻来描绘二维和三维空间生物的存在方式:在二维世界中,由于不存在高度的概念,三维生物只要围成一圈就能困住二维生物;但在三维世界,要围住一只老虎或犀牛,不仅要围成一圈,还需要构建立体的栅栏。

理论上,四维空间的生物能轻易“取出”或“救走”三维生物,即使这些动物被封闭起来。这种“取出”和封闭方式具体如何,实在令人难以想象。而四维存在的物体又是如何能够封闭住的呢?事实是否会如此发展呢?无人知晓。

关于那奇妙的11维宇宙是否真实存在,M理论,作为宇宙超弦理论的一种,宣称我们所处的宇宙是11维的,由振动的平面构成。

我们目前仅能感知到4个维度(包含时间维),因为其余的7个维度已被紧紧卷曲,压缩至极小尺度,这些被压缩的物质即为“弦”,其尺度远小于我们所认知的最小粒子。

这些理论虽然听上去颇为神秘,但众多科学家都表示认同,并认为它们可能是未来解开大统一理论的关键。这些理论并非凭空设想,而是基于许多公认的复杂理论。这些理论艰涩难懂,在此不作详细说明。

有些人认为,弦理论最终能够揭开许多当前未解的谜团,如引力、黑洞、超自然力、时空通道等在我们三维世界看来难以理解的事物,在更高的时空维度中可能只是些极其简单的现象;还有人认为,所有基本粒子,包括费米子、轻子、玻色子、希格斯粒子等,均由弦组成,我们的世界正是由这些弦构建而成。这些弦的不同振动形态,表现出不同的粒子特性,有开弦和闭弦之分,其中引力子便是一种闭弦。

此外,还有观点认为,在三维空间中,光速是一道难以逾越的屏障,只有突破它,才能进入更高的时空维度。而在高维时空中,光速反而成了最低限速。

这些理论与量子力学的一些观点被某些神秘学爱好者利用,他们认为这些理论有可能解开世间种种奇异的未解之谜,例如特异功能、时空穿越、鬼神之说等。然而,我坚信,作为三维世界的居民,我们必须遵循三维世界的规则,高维世界的存在与否,只能在数学和物理领域中探讨,永远无法得到实证。

因此,让我们回归现实,安心过好自己的生活,才是最实在的。吃喝拉撒,才是生活的本真。您觉得呢?返回搜狐,查看更多