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深度科普:四維空間,與三維空間到底有什么區別?

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簡單講,前者是虛構的,后者是真實存在的。我們時刻都能感受到三維空間,但對于四維空間,只能意會不能言傳,甚至連意會無法做到。



無數智者曾對四維宇宙展開描繪,盡管言辭華美,卻總難盡述其全貌。例如,在劉慈欣的科幻巨著《三體》中,四維空間的描述如詩如畫:

人們普遍認同,四維空間的體驗無法用語言來傳達,他們甚至堅稱,這是人類所遇到的唯一一種無法用言語表述的事物。有一個常用的比喻:假想一個二維生物生活在一幅畫中,無論這幅畫多么絢麗多彩,二維生物所能看到的,不過是三維世界中物體的輪廓而已。只有當這個二維生物躍出畫卷,進入三維空間,才能真正目睹畫的全貌。

這個比喻,雖意在闡釋四維體驗的難以言說,但卻更進一步加深了其神秘色彩。當一個人首次從四維空間審視三維世界時,他會驚覺,自己原先所見的世界,不過是其側影,而四維視角下的世界,似乎才讓畫卷真正攤開。



沒有任何事物能夠遮擋其后的景象,所有封閉物體的內部都盡收眼底,這雖然只是一個簡明的規則,但若世界真的依此顯現,視覺的震撼力是難以估量的。

當所有遮蔽消失,萬物暴露在外時,目擊者所面臨的是遠超三維世界的海量信息。他們所見的是人體每個無盡的細節——骨骼、內臟、骨髓、血液的流動、心臟的跳動、對方眼球的晶狀體……然而,即便用“并列”來描述這些,仍可能產生誤解。人體的各個部分,在物理位置上并無變化,皮膚依然包裹著內臟與骨骼。每個人在三維世界中的模樣依然清晰,只是與無數細節并存。

“請大家注意不要隨意動用手,以免觸碰到他人的心臟或自己的內臟。”褚巖提醒道,“不過,盡管力量不大,但可能會引起疼痛或惡心,甚至造成輕微感染。同樣,不要隨意觸碰周圍的物品,除非你確切知道那是什么。現在飛船內的一切都是直接暴露的,你可能觸碰到高壓電纜、高溫蒸汽,甚至集成電路,這可能導致系統故障。總之,盡管在三維世界中,你們現在擁有神一般的力量,但要學會適應四維空間,才能發揮這種力量。”

試想一下,這樣的四維空間,究竟是何種模樣?它是如此奇妙,卻又難以理解。實際上,在我們的世界里,我們甚至無法想象四維空間的真實面貌,因為“真實”本身是否存在都無人知曉。也就是說,不同維度的空間,彼此之間無法窺探。



數學模型中,我們可以從零維到更高維度進行描述。零維通常被認為是一個點,但這個點遠非我們用筆在紙上所點的點。它是一個無窮小的點,沒有直徑,沒有長寬,是一個無體積的點,正如我們所稱的引力中心或奇點。而筆尖所點的點,無論是紙張還是那個點本身,都是有面積和體積的,雖然體積微小,但依舊存在。



一維空間是一條線,這條線并非我們通常理解的線,也非畫筆所畫的線。它是一個只有長度,無粗細,無直徑,也即無寬無高的線,因此沒有體積。二維空間是一個平面,如同一張紙,但并非紙,也非任何薄膜,它有長有寬,卻沒有厚度,因此有面積,卻無體積。

零維、一維、二維空間,對我們所生活的三維世界而言,屬于低維空間。我們的世界,由于比二維多出一維,這使得我們擁有了立體感。盡管我們所見的世界仍是平面的,但我們能夠描述立體世界。



關于這一點,我們可以這樣理解:我們所見的物體,只能看到其正面,而非其后面,這僅僅是因為雙眼的存在,讓我們能夠觀察到更多的側面。然而,正是因為我們有上下高低的概念,我們才能塑造出物體的立體形象。

那么,低維空間中的生物是如何生存的呢?數學上所描述的零維和一二維空間中,如果存在生命或文明,它們的生存狀態如何?在我們三維世界,這幾乎無法想象。許多人曾設想過生活在這些空間的生物會是什么樣子,包括已故物理學家霍金在內的一些科學家,也曾對此進行過設想。

流傳的說法是,零維和一維空間的生命無法想象。而在二維空間,生物的視角僅限于一個維度,它們永遠只能看到前方的一條線,相遇時無法讓道或逾越。因為所有物體都處于一個沒有厚度的平面上,所以任何“線段”都能遮擋視線。因此,二維空間的生物無法擁有消化器官,因為如果有一根從嘴巴到肛門的消化道,將會把身體一分為二。



它們如何進食和生存呢?即使不需要進食,而僅需吸收能量,如果有能量從一側輻射而來,如何進入這種生物的身體呢?因為這種生物沒有厚度,甚至連一個電子的厚度都沒有,能量如何進入?

因此,如果真的存在低維空間和低維文明,在我們三維世界,是無法想象其狀態的。



然而,在劉慈欣的《三體》中,他描述了一個二維世界的景象:一個高級文明向太陽系投擲了一個二向箔,這是一種降維武器。在二向箔的打擊下,太陽系被壓成了二維世界,每個星球、每個原子都被壓扁,就像梵高在精神病院創作的《星月夜》一樣。

小說還描繪了高級文明為了躲避更高級文明的攻擊,將自己降維為二維生物,以茍延殘喘。



這些描述充滿了矛盾。因為即便一個原子被壓扁為二維,沒有了厚度,其面積也是不可想象的。一個原子的直徑約為10^-10m(米),即厚度也是10^-10m;普朗克尺度約為1.6*10^-35m,比原子小了25個數量級。也就是說,當1個原子被壓扁成一個1.6萬億千米直徑的大圓時,它仍然有普朗克的厚度。

幾個原子被壓扁到普朗克尺度,就會變成一個光年級的圓餅,而一個塵埃由億億個原子組成,整個太陽系被壓成二維,那將是一個無法描述的場景。



實際上,如果真有二維宇宙存在,粒子與光子被壓扁至無厚度、不復存在,那什么構成了所謂的生命與文明呢?將電子或原子鋪開成平面,它們會變得無窮大,足以包羅整個宇宙,那又怎能以梵高《星月夜》的視角來觀察太陽系呢?

所以,我們這些凡人還是放棄那些不切實際的猜測吧,畢竟低維世界是完全超越我們理解范疇的,說什么消化道不過是一派胡言。



正因如此,人類的認知僅限于三維世界。生活在三維宇宙中的我們所見的一切——無論是螞蟻還是病毒——都是三維實體。三維世界的構成可以由長、寬、高三個維度來描述,它們構建了所謂的“空間”。在此立體空間中,世間萬物循環往復、生生滅滅,而這一切的變化則被時間記錄著。

換句話說,時間是三維空間內的一個維度,它如同一根軸,自x、y、z三個維度構成的空間里延伸而出,一往無前。閔可夫斯基曾將這種構想稱之為四維時空。



愛因斯坦的狹義相對論贊成閔可夫斯基關于四維時空的觀點,并巧妙地將時間、空間、物質和運動融合在一起,他認為我們的世界是四位一體的,不可分割,它們互相依賴并遵循相對性原理。廣義相對論中,愛因斯坦進一步闡述了由質量引起的時空曲率,將其視為宇宙運動變化的根本所在。

這便是三維空間的真諦。閔可夫斯基所提的四維時空,本質上即是一個動態化的三維空間,與所謂的四維空間在性質上是截然不同的兩個概念。



在探討不同維度空間的理解與區別時,四維空間在數學和物理領域通常被稱為“歐幾里得四維空間”,即在三維空間的三個維度上增加一個具有相同性質的維度。至今沒有人能夠明確解釋這一新增維度的定位,也無人能為四維空間給出一個足夠確切的定義。有人猜想,我們或許能夠見證四維空間的現象,但卻無法意識到那就是四維空間。

為了啟發人類的想象力,有人借用了莫比烏斯環和萊茵瓶。我們假設螞蟻是二維生物,它們只能感知前后左右,不具備上下的概念。因此,在二維平面中,螞蟻若不越過邊界,便無法抵達另一側。



但如果將平面變為莫比烏斯環,螞蟻便能不越界而抵達對面,并最終回到原點;至于萊茵瓶,則是一種思想實驗,在這個瓶中,無需穿透表面,物質便能觸及內外表面的任何位置,這象征著一個四維空間。然而,在我們的三維世界中,制作一個真正的萊茵瓶是絕無可能的。



但這種想象依舊局限于三維空間的思維模式:我們自認為能夠全視角觀察二維生物,輕易提起它們跨越障礙進入新空間;而四維空間的生物則可以像三維世界的我們對待二維生物一樣,洞察我們的過去和未來,隨意改變我們所在的時空位置。

我們可以用更直觀的比喻來描繪二維和三維空間生物的存在方式:在二維世界中,由于不存在高度的概念,三維生物只要圍成一圈就能困住二維生物;但在三維世界,要圍住一只老虎或犀牛,不僅要圍成一圈,還需要構建立體的柵欄。



理論上,四維空間的生物能輕易“取出”或“救走”三維生物,即使這些動物被封閉起來。這種“取出”和封閉方式具體如何,實在令人難以想象。而四維存在的物體又是如何能夠封閉住的呢?事實是否會如此發展呢?無人知曉。



關于那奇妙的11維宇宙是否真實存在,M理論,作為宇宙超弦理論的一種,宣稱我們所處的宇宙是11維的,由振動的平面構成。



我們目前僅能感知到4個維度(包含時間維),因為其余的7個維度已被緊緊卷曲,壓縮至極小尺度,這些被壓縮的物質即為“弦”,其尺度遠小于我們所認知的最小粒子。

這些理論雖然聽上去頗為神秘,但眾多科學家都表示認同,并認為它們可能是未來解開大統一理論的關鍵。這些理論并非憑空設想,而是基于許多公認的復雜理論。這些理論艱澀難懂,在此不作詳細說明。



有些人認為,弦理論最終能夠揭開許多當前未解的謎團,如引力、黑洞、超自然力、時空通道等在我們三維世界看來難以理解的事物,在更高的時空維度中可能只是些極其簡單的現象;還有人認為,所有基本粒子,包括費米子、輕子、玻色子、希格斯粒子等,均由弦組成,我們的世界正是由這些弦構建而成。這些弦的不同振動形態,表現出不同的粒子特性,有開弦和閉弦之分,其中引力子便是一種閉弦。

此外,還有觀點認為,在三維空間中,光速是一道難以逾越的屏障,只有突破它,才能進入更高的時空維度。而在高維時空中,光速反而成了最低限速。

這些理論與量子力學的一些觀點被某些神秘學愛好者利用,他們認為這些理論有可能解開世間種種奇異的未解之謎,例如特異功能、時空穿越、鬼神之說等。然而,我堅信,作為三維世界的居民,我們必須遵循三維世界的規則,高維世界的存在與否,只能在數學和物理領域中探討,永遠無法得到實證。

因此,讓我們回歸現實,安心過好自己的生活,才是最實在的。吃喝拉撒,才是生活的本真。您覺得呢?

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