四維空間是什麼?聊下我理解的四維空間

2020-12-07 清晨明露

偶然間看到了關於聊四維空間的話題,基本上都是說得神乎其神,最後還是讓人很難理解,連百科也沒有太準確的答案,我來聊聊自己對四維空間的理解。

首先,緯度空間不是絕對的一二三四維,所有的空間都屬於多維空間,我們說人類處在三維空間,其實我們只是在相對第三維空間,任何緯度的生物和臨近緯度空間的關係是控制低緯度空間,受高緯度空間控制。

怎麼理解我們只是相對第三維空間呢?我們能理解的最小空間是一個點,在概念上應該無窮小,但是不論我們點了一個多麼小的點,這個點對於微生物的世界都是一個無比宏大的空間和世界,而我們無法直接參與微生物的世界,因此我們可以理解任意的一個點都是微生物的主緯度世界,也是我們的相對一維空間。

我們認為的一維空間點其實內有乾坤

其次,二維空間可以是我們的手機屏幕,也可以是黑板漫畫書等等,我們總是把紙張想像成沒有厚度的二維平面空間。我們儘管知道是自己騙自己,但是還是忽略了它的厚度,因此紙張也越來越薄,甚至直接用屏幕來代替顯示我們想要的東西。原因很簡單,我們只接受了手機屏幕帶給我們相對二維空間的控制欲,而忽略了它真正的緯度層,畢竟我們不是手機的主緯度空間生物,我們高過它一層,因此只需要把它當做二維空間物體就行了。

我們對手機的需求只在二維平面空間裡

接下來是三維空間,人類之所以說自己是三維空間生物,那是因為我們主要用兩隻眼睛來接收空間信息。每一個眼睛接收一個二維畫面,兩個二維畫面相交就得到了三維空間,因此我們的眼界下,只能理解到三維空間間,這是幾乎大部分人都能理解的空間極限。

正常人眼中的三維空間世界

接下來我們說最重要的四維空間,想要理解四維空間,就要先主動給自己「降緯度」,先把人類想像成二維空間生物。

這個很好理解,比如我們都知道,沿著一個方向一直走,我們走過的路線就像在大地的紙張上畫了一條直線。從理論上來說,走的越久我們應該離原點越遠,這是二維空間的正常思維,也是過去幾千年「天圓地方」學說人類的傳統觀念。但是後來科學讓我們插上翅膀了解更高緯度空間,證明了沿著大地一直走,原來會最終回到原點,因為大地不是一張大平面,而是一個巨大的球體。

上帝視角看大地,才知道大地是圓的

一直到今天,如果我們不藉助科技衛星,我們可能仍然不知道自己生活的地方其實是個巨大的球體。所以當我們把自己當成地面上二維空間生物的時候,能理解地球是圓的,就是三維空間才有的概念,因為球體的緯度本身就高過了平面。

所以現在我們回到一開始要討論的話題上,四維空間是什麼?就是超過單個生物體能了解的更高空間的整體,就是四維空間,俗語也叫「上帝視角」。比如一名遊戲玩家在參與「和平精英」的比賽,對於他來說,遊戲裡的世界是三維空間,而對於比賽解說和觀眾來說,則擁有「上帝視角」,看到每個參賽者都能看到和看不到的畫面,而相對於參賽選手,解說和觀眾就是遊戲中四維空間生物。

再說現實生活,球體和圓形是萬物生長的基本形態,也是多維空間的秘密。古人研究圓周率,得到一串比例數字,我們只知道它是圓形周長和半徑之比,但是沒人知道這串數字和相對緯度之間的關係。

有人用投影的方式來解釋四維空間,但是投影四維空間不能用正方體,因為正方體是三維空間的標準模型,而多維空間的標準模型是以球體參考,球心和球面任何一個點的連線都和球面垂直的。

球面任意找一個點,和球心相連得到一維空間直線,任意找兩個不重合的點和球心相連切開得到二維的面,任意找三個不在一條直接上的點和球心相連的直線,切開得到一個三角體,就是三維空間物體,再找四個不在同一個面的點,和球心相連的直線切開,會得到一個類似不倒翁的四面椎體,如果把大地想像成平底,這個模型就和古埃及金字塔是一樣的,這便是四維空間的模型。

這樣的模型特點是,沿著塔尖向平底任意一個點的連線垂直相切,總會得到一樣比例的形狀,只是面積大小會隨著具體塔尖的距離接近而縮小,人眼睛的視野空間也是這樣的形狀,所以我們一直試圖尋找的四維空間,其實一直存在於我們眼前,只是需要我們給自己多加一隻「眼睛」,才能看得到正常狀態下理解不了的四維空間。

這便是我理解的四維空間,能聽懂嗎?

金字塔的形狀是四維空間標準模型

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  • 怎樣理解四維空間的生物,人類能不能進入四維空間
    討論其它問題之前,我們先對維度有一個基本的了解,一維是指一個點,沒有長度和大小,而二維空間是由無數個一維空間拼接在一起組成的,有長度和寬度,但是沒有高度,三維空間是由無數個二維空間疊在一起組成的,有長度寬度和高度,而四維空間,則是在三維空間插入了一個時間維,也有觀點認為四維空間是由無數個三維空間疊加在一起組成的。
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  • 人類為什麼進不去四維空間?到底什麼是四維空間?科學家這麼解釋
    空間這個概念相信人人都有,它是一種十分縹緲的狀況,可又是極為往常的存在,從某種意義上來講,人類對於空間的認知其實並沒有比其他生物更多。科學家曾提出我們生活的宇宙是由11維的空間組成,而人類卻只能存在於三維空間,進入不了四維及以上的空間。而且人類甚至都無法理解什麼是四維空間!
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    第五維,也就是四維空間。嗯哼?空間不是只有三維麼?是的。那怎麼變成四維了呢?這事啊,還得從牛頓開始說起。當初,牛頓首次用微積分建立了一組微分方程,提出了牛頓三大定律和萬有引力公式,建立了牛頓力學。什麼是第五維?牛頓力學認為,空間是均勻的、平直的、無界的、無限的,時間也是均勻的、無始無終的,時間和空間都是絕對不會變的,這就是絕對論。麥克斯韋電磁學也是這樣認為的。愛因斯坦廣義相對論認為,宇宙就是時空,時空是四維的,即一維時間和三維空間,時空是不均勻的、彎曲的、無界的、有限的、是有開始的,時間和空間不是絕對不會變的,是相對的會變的,這就是相對論。