对于三维空间大家肯定不会搞错,因为我们本身就生活在三维空间中,无论什么物体它都会有长宽高三个尺寸,当然我们买房子或者量地皮都会用到一个只有长宽的平方米概念,其实它仍然是建立在三维尺寸上的,这个高度很多时候就约定俗成的省略了!
但低于四维的理解就有些分化,比如有些朋友认为四维是三维上额外增加了一个维度,而时间是独立于这些维度以外的!但也有另一个理论认为三维空间加上时间就成了四维,这两种观点差异非常大,但都是四维空间,大家都傻傻分不清了!
关于欧几里德空间
其实欧式空间到三维为止都挺容易理解的,因为欧式空间是构成我们世界观的基础长宽高的删减和延伸,比如可以用如下扩展图来表示:
从零维到四维
从我们熟悉的三维空间出发,删去高度就成了二维,扇区长或者宽就成一维,最后删去长度就成了零维,而三维往上增加一维就成了四维,似乎很简单,但怎么加,加在哪里?这成了个大问题!当然这难不倒我们,我们从最简单的思维开始往上理解:
无数零维的点相加,就成了一维的线!
无数一维的线相加,就成了二维的面!
无数二维的面叠加,就成了三维立体!
四维??????
无数三维立体叠加,就成了四维超体!
二维的面是三维空间无数切片中的一片,对于二维我们一览无遗,假如在二维空间上还能存在生物的话,我们对它们的操作完全是超脱于理解的,因为它们的生活范围仅限于那个没有厚度的平面,而三维空间中的人类则可以从三维这个额外的维度进入二维平面后离开,再出现在二维平面,这是什么操作?当然是神迹啦,因为二维生命会看到某个物体在二维空间中消失,然后突然出现在另一个位置,这不是神迹吗?
那么三维呢?按此理解,三维空间只是四维立方体的无数切片中的一个,就先三维对二维的神迹操作一样,四维对于三维的操作也是超出我们理解之外的,比如再坚固的保险箱或者监狱,甚至地下核爆掩体,对于我们三维空间中生活的人类来说,那几乎是坚不可摧的,但对于四维,因为他们可以从额外的维度中进入这些区域,并且将物体取走而不需要走三维中长宽高组成的任何一条路径!
可怕吗?
如果真的存在四维空间,且能够在里面生活的生物的话,那将是一件非常可怕的事,但更可怕的是如果这个物种是《环太平洋》中的怪兽的话,那就是末日,因为《环太平洋》中知道它们从太平洋底某个区域爬出来,但现实中我们根本不知道它们会从哪里来,也不知道它们会从哪里消失,所以相比之下,我们宁愿高维度生活的是一群以观察我们为乐的超级文明!
五维空间呢?以此类推,对于欧式高维空间,这是没有限度的,只是我们的脑袋够不够用而已,因为到四维已经都是线条了,五维就全是线条,六维或者七维那就是一个毛线球!
关于闵可夫斯基空间
很多朋友可能不太了解闵可夫斯基的四维空间描述方式,但相信各位肯定看到过爱因斯坦狭义相对论中关于光锥的描述,这个有三维空间坐标加上一维时间轴构成的四维空间,跟欧式四维空间差距很大,但事实上比四维空间要好理解得多!
光锥
《三体》中有一句描述我们无奈现状的经典语句“光锥之内是命运”,以你为坐标,画个在这个时间内光速可以到达的区域,超过此区域,任何事件都与你无关,除非时间走到那个光速可以到达你的区域,这就是你的命运,这就是光速屏障,不只是速度,还有我们对于是时空理解的局限。
简单的说比如太阳即使现在熄灭也和我们无关,因为这个事件会光的速与我们产生关系,但这需要时间,它大概需要在8.33分钟之后才能进入我们的光锥之内,我们才能获知到太阳熄灭这个事实!但在科幻小说或者科幻片中的四维空间描述,却不是这样,因为在这个时间轴上,可以前移也可以后退,简单的说闵可夫斯基空间中的时间轴将成为长宽高一样的物理尺度。
比如《星际穿越》中马修·麦康纳饰演的库珀掉入了卡冈图雅黑洞,但在这个黑洞的奇点处却是一个闵可夫斯基的四维时空,无巧不成书的是它的投影正在库伯家的书房,库伯可以在这条时间轴上上下移动,看到这个房间的过去和未来,对于库伯来说,这个房间就像一本书一样,可以翻到任何时候去观看,但却无法干涉这个空间,所幸的是上帝关上了所有门和窗的同时,留了引力干涉一条缝,使得库伯可以像鬼魂一样引起那个房间的各种动静。
这就是墨菲很少呆在书房的原因,因为书房闹鬼,但最终库伯在大火烧了他们家房子之前将关键信息传递给了墨菲,得以解出引力场方程,将大批人类克服引力送上土星轨道上建造好的巨型空间站!有朋友认为这个库伯所在的空间是一个五维空间,但其实就是一个闵可夫斯基空间而已!
关于弦理论的二十六维空间
当然在这些四维空间的描述中,无疑弦理论也是一个,最早期的弦理论要求时空是二十六维的,当然这个维度实在有点多,但在1971年时施瓦茨和雷蒙等人合作,将超对称”的思想引入了弦理论,把原来需要26维的弦论简化到只需要10维!从二十六维弦理论降到只有十维的超弦理论!
超弦理论认为,任何粒子都不是一个基本粒子所谓的点,而是开放或者闭合的一条弦,当它们以不同方式振动时就成了我们所熟悉的各种粒子,比如光子电子甚至引力子!所以我们生活在一个十维时空中,不过有6个维度是蜷缩起来的!另外四个维度就是我们的三维空间加上一维时间!
而我们所谓的那个基本粒子,就是一个蜷缩了六维空间的“球”!
超弦理论中的四维空间,应该就是闵可夫斯基中时间为一维的空间,但这个时间维度是单向的,我们无法移动,只能随着时间的流逝而逐渐发生!而在欧式空间中时间,则无论在哪个维度来看时间都是独立存在的,它不属于其中一维,时间的流逝对于空间维度结构没有关系,但对于空间存在的意义有关系!