到底什么是四维空间?人类能前往四维空间吗?
我们生活在三维空间,准确来讲是四维时空,在三维空间的基础上加上时间维度。由于时间和空间是不可分割的整体,所以谈论空间时必须加上时间,否则就没有意义。
而四维空间不同于四维时空,四维空间是在三维空间的基础上增加一个空间维度。也就是说,四维空间其实也就是五维时空,因为刚才说了,空间和时间是一体的。这里暂且先不谈论时间维度,让我们谈一谈空间上的维度,也就是四维空间。
四维空间到底该如何定义呢?
物理学上是没法定义的,你不能说“在三维空间的基础上再增加一个维度就是四维空间”,这种定义说了等于没说,是没有意义的。最关键的问题就是:增加的一个维度到底是什么维度,到底在哪里?
我们都知道,三维空间就是由长宽高组成的空间,也就是说在一个点上由三条直线垂直相交组成的空间。按照这种定义,我们只需要在这个点上再找到一条直线,与其他三条直线相互垂直,组成的空间就是四维空间。
这是数学上的定义,但第四条直线在哪里呢?数学也只能去假设,通过抽象的方式去描述。在我们固有思维里,一个点上最多只能有三条相互垂直的直线。
所以说,三维空间与四维空间的区别在哪里?简单讲,三维空间是真实存在的,我们能感受到的,而四维空间是虚构的概念,我们无法描述四维空间到底什么样,当然更不能确定四维空间是否存在。
当然,这并不妨碍我们通过各种方式去想象四维空间到底是什么样。让我们从零维开始。
从数学概念来讲,零维就是一个点,没有大小的点。这个点的运动就形成了一条线,也就是一维。而一条线的运动就可以形成一个面,也就是二维。而一个面的运动可以形成体,也就是三维。
如此来讲,三维空间的运动也可以形成四维空间。
还有一种理解方式,认为低维空间其实是高维空间的投影。比如说三维物体的投影就是一个面,也就是二维空间。同样,四维空间的投影就是我们所在的三维空间。
能够看出,无论哪种方式,都无法准确描述四维空间到底是什么样子的。如果四维空间存在像人类那样的智慧生命,他们会是什么样的呢?
我们可以通过三维空间与二维空间的对比,来理解四维空间与三维空间的差别。如果二维空间里存在生命,在他们眼里,人类就相当于“上帝”,为什么?
因为对于二维生命来讲,我们可以在一个地方突然消失,然后在另外一个地方瞬间出现。在二维空间里,只要画一个圆圈,就能把二维生命彻底困住,但人类却可以轻而易举逃出那个圈。
同样的道理,对于生活在三维空间的我们来讲,四维生命就如同神话故事里面的“神仙”一般深不可测,即使身处一个完全密闭的房间里,他们也可以随意进出,通过我们无法理解的第四维度自由出入。
当然,人类能在二维世界里来回穿梭的前提是:不被压扁。理论上我们是不可能在二维空间里生存的,因为二维空间没有厚度,意味着我们的身体会被彻底压扁。就像科幻小说《三体》里面的“二向箔”那样。
事实上,“二向箔”的概念并不严谨,甚至是矛盾的,因为三维空间里的任何东西,哪怕最微小的东西,无论如何压扁,总会有厚度的,理论上永远都是三维的,不可能是二维的。哪怕是一个微小的电子,假设压扁到没有厚度的二维,最终二维空间的面积也是无穷大的,这样的二维空间到底是什么样的?同样无法想象。
说白了,不要以为人类只是不能理解更高维度的空间,其实我们同样不能理解低维空间,比如说二维空间。或者说,四维空间可能根本就不存在,而低维空间其实也可能是不存在的,存在的只有我们所在的三维空间,而高维和低维纯属人类的臆想罢了。
市面上流传着“克莱因瓶”或者“莫比乌斯环”的传说,用这两种概念试图诠释四维空间,但其实仔细研究你会发现,这两种概念本质上仍旧是三维空间,只是运用了魔术领域的“障眼法”罢了,与真正的四维空间没有一点关系。
当然,一种前沿的理论,弦理论认为我们所在的世界拥有多达十个维度,甚至更多的维度,这些维度都卷曲在非常细小的尺度里,比如说在普朗克尺度里,我们很难察觉到。但是弦理论一是很复杂,晦涩难懂,牵扯到很复杂的数学运算。第二,也是最重要的,弦理论很难在实验中进行验证。
还有一些人想象更加丰富,认为只要人类突破了光速限制,就可以前往四维空间。说白了,只要速度能超过光速,就可以突破三维空间的限制。
这种观点看起来确实有一定道理。因为光速限制说白了就是四维时空的限制,是四维时空的固有属性,这就意味着,理论上讲如果存在更高的维度,完全可以轻松突破光速限制,在更高的维度里,光速甚至会是速度的最低值,所有物体都必须以超光速飞行。
当然,这种观点也只是猜想和想象。话说过来,即便人类能够突破四维时空的限制来到高维度空间,我们的身体结构必须做出彻底改变才行,因为我们本身就是四维时空的一部分,我们就是生活在三维空间,也就是“三维人”。
如果真的前往四维空间,变成“四维人”的话,这样的我们还能称得上“人”了吗?
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