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到底什麼是四維空間?人類能前往四維空間嗎?
2023/08/17

我們生活在三維空間,準確來講是四維時空,在三維空間的基礎上加上時間維度。由于時間和空間是不可分割的整體,所以談論空間時必須加上時間,否則就沒有意義。

而四維空間不同于四維時空,四維空間是在三維空間的基礎上增加一個空間維度。也就是說,四維空間其實也就是五維時空,因為剛才說了,空間和時間是一體的。這里暫且先不談論時間維度,讓我們談一談空間上的維度,也就是四維空間。

四維空間到底該如何定義呢?

物理學上是沒法定義的,你不能說「在三維空間的基礎上再增加一個維度就是四維空間」,這種定義說了等于沒說,是沒有意義的。最關鍵的問題就是:增加的一個維度到底是什麼維度,到底在哪里?

我們都知道,三維空間就是由長寬高組成的空間,也就是說在一個點上由三條直線垂直相交組成的空間。按照這種定義,我們只需要在這個點上再找到一條直線,與其他三條直線相互垂直,組成的空間就是四維空間。

這是數學上的定義,但第四條直線在哪里呢?數學也只能去假設,通過抽象的方式去描述。在我們固有思維里,一個點上最多只能有三條相互垂直的直線。

所以說,三維空間與四維空間的區別在哪里?簡單講,三維空間是真實存在的,我們能感受到的,而四維空間是虛構的概念,我們無法描述四維空間到底什麼樣,當然更不能確定四維空間是否存在。

當然,這并不妨礙我們通過各種方式去想象四維空間到底是什麼樣。讓我們從零維開始。

從數學概念來講,零維就是一個點,沒有大小的點。這個點的運動就形成了一條線,也就是一維。而一條線的運動就可以形成一個面,也就是二維。而一個面的運動可以形成體,也就是三維。

如此來講,三維空間的運動也可以形成四維空間。

還有一種理解方式,認為低維空間其實是高維空間的投影。比如說三維物體的投影就是一個面,也就是二維空間。同樣,四維空間的投影就是我們所在的三維空間。

能夠看出,無論哪種方式,都無法準確描述四維空間到底是什麼樣子的。如果四維空間存在像人類那樣的智慧生命,他們會是什麼樣的呢?

我們可以通過三維空間與二維空間的對比,來理解四維空間與三維空間的差別。如果二維空間里存在生命,在他們眼里,人類就相當于「上帝」,為什麼?

因為對于二維生命來講,我們可以在一個地方突然消失,然后在另外一個地方瞬間出現。在二維空間里,只要畫一個圓圈,就能把二維生命徹底困住,但人類卻可以輕而易舉逃出那個圈。

同樣的道理,對于生活在三維空間的我們來講,四維生命就如同神話故事里面的「神仙」一般深不可測,即使身處一個完全密閉的房間里,他們也可以隨意進出,通過我們無法理解的第四維度自由出入。

當然,人類能在二維世界里來回穿梭的前提是:不被壓扁。理論上我們是不可能在二維空間里生存的,因為二維空間沒有厚度,意味著我們的身體會被徹底壓扁。就像科幻小說《三體》里面的「二向箔」那樣。

事實上,「二向箔」的概念并不嚴謹,甚至是矛盾的,因為三維空間里的任何東西,哪怕最微小的東西,無論如何壓扁,總會有厚度的,理論上永遠都是三維的,不可能是二維的。哪怕是一個微小的電子,假設壓扁到沒有厚度的二維,最終二維空間的面積也是無窮大的,這樣的二維空間到底是什麼樣的?同樣無法想象。

說白了,不要以為人類只是不能理解更高維度的空間,其實我們同樣不能理解低維空間,比如說二維空間。或者說,四維空間可能根本就不存在,而低維空間其實也可能是不存在的,存在的只有我們所在的三維空間,而高維和低維純屬人類的臆想罷了。

市面上流傳著「克萊因瓶」或者「莫比烏斯環」的傳說,用這兩種概念試圖詮釋四維空間,但其實仔細研究你會發現,這兩種概念本質上仍舊是三維空間,只是運用了魔術領域的「障眼法」罷了,與真正的四維空間沒有一點關系。

當然,一種前沿的理論,弦理論認為我們所在的世界擁有多達十個維度,甚至更多的維度,這些維度都卷曲在非常細小的尺度里,比如說在普朗克尺度里,我們很難察覺到。但是弦理論一是很復雜,晦澀難懂,牽扯到很復雜的數學運算。第二,也是最重要的,弦理論很難在實驗中進行驗證。

還有一些人想象更加豐富,認為只要人類突破了光速限制,就可以前往四維空間。說白了,只要速度能超過光速,就可以突破三維空間的限制。

這種觀點看起來確實有一定道理。因為光速限制說白了就是四維時空的限制,是四維時空的固有屬性,這就意味著,理論上講如果存在更高的維度,完全可以輕松突破光速限制,在更高的維度里,光速甚至會是速度的最低值,所有物體都必須以超光速飛行。

當然,這種觀點也只是猜想和想象。話說過來,即便人類能夠突破四維時空的限制來到高維度空間,我們的身體結構必須做出徹底改變才行,因為我們本身就是四維時空的一部分,我們就是生活在三維空間,也就是「三維人」。

如果真的前往四維空間,變成「四維人」的話,這樣的我們還能稱得上「人」了嗎?

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