四維空間怎麼樣,我相信大家都和我一樣非常想體驗一下,那種超越三維的神一樣的感覺是人類天生無法抗拒的。但是我要說的是,按照現有科學水平,體驗是沒有機會了,既然如此,那我們何不來一場頭腦旅行呢?
劉慈欣的《三體》中這樣描述四維空間(文章摘選較長,不想看可以略過):
四維擁有無限的細節和複雜度
「有過親身經歷的人都一致同意,置身四維空間的感覺是不可能用語言來描述的,他們甚至斷言,四維感覺是人類迄今為止所遇到的唯一一種絕對不可能用語言描述的事物。人們總是喜歡用這樣一個類比:想像生活在三維空間中的一張二維平面畫中的扁片人,不管這幅畫多麼豐富多彩,其中的二維人只能看到周圍世界的側面,在他們眼中,周圍的人和事物都是一些長短不一的線段而已。只有當一個二維扁片人從畫中飄出來,進人三維空間,再回頭看那幅畫,才能看到畫的全貌。這個類比,其實也只是進一步描述了四維感覺的不可描述。首次從四維空間看三維世界的人,首先領悟到一點:以前身處三維世界時,他其實根本沒看見過自己的世界,如果把三維世界也比做一張畫,他看到的只是那張畫與他的臉平面垂直放置時的樣子,看到的只是畫的側而一條線;只有從四維看,畫才對他平放了。他會這樣描述:任何東西都不可能擋住它後面的東西,任何封閉體的內部也都是能看到的,這只是一個簡單的規則,但如果覺世界真按這個規則呈現.在視上是極其震撼的。當所有的遮擋和封閉都不存在,一切都暴露在外時,目擊者首先面對的是相當於三維世界中億萬倍的信息量,對於湧進視覺的海量信息,大腦一時無法把握。他們看到的是並例出無限細節的人體、可以看到所有的骨骼和內臟.可以看到骨骼裡的骨髓.可以看到血液在心臟心室間的流動和瓣膜的開閉,與對方對視時,也可以清晰地看到眼球晶狀體的結構......但「並列」這個詞同樣可能引起誤解,人體各部分的物理位置並沒有任何變化,皮膚仍然包裹著內臟和骨骼,每個人在三維世界中的熟悉形象還在,是細節的一部分.與其他無限的細節並列在一起。「你們注意手不要亂動,不小心可能會觸到別人心或自已的內臟。」褚巖說.「不過只要不用力也間題不大,可能有點兒疼或噁心,有時還會造成輕微的感染。也別亂動周圍的東西,除非你確實知道那是什麼。現在飛船上的一切都是裸露的,你可能觸到高壓電纜或高溫蒸汽什麼的.還可能接觸到集成電路,造成系統故障。總之,對於三維世界來說你們現在有神一樣的力量.但必須經過一段時問對四維的適應才能使用這種力量。」」
小說的描述已經儘可能從視覺上給讀者呈現了一個光怪陸離的四維世界。作為小說的一部分,大劉的目的達到了,就是帶給讀者新奇與想像力。但是從科學上來說,其中不乏存在一些BUG,下面我們分析探討一下。
BUG__1:光無法跨緯度傳遞
假如存在不同的緯度世界,那麼在不同的緯度世界下,智慧生物感覺世界的相應手段也會存在很大差異,三維世界智慧生物比如人類感覺世界的直觀手段是通過眼睛接收光來實現的,光是特定頻率段的電磁波,而電磁波是三維世界的特有現象,所有我們想當然的把電磁波推廣到二維或者三維世界是不恰當的,也是不科學的。
《三體》中的二向箔打擊
比如在二維生物的世界裡,它們可以看到自己的整個世界,但我們卻無法窺知它們。因為必得有光線進入我們的眼睛,才能和我們的感光細胞發生作用,將信號傳遞到我們的大腦,我們才能看到某物;必須得有物理手段探測到二維世界,才能為我們描述它的基本形狀和性質。但二維世界的基本粒子和光,由二維世界的物理定律限定在二維平面內,無法到達更高的維度。你敢說二維世界的電子、質子和三維的一樣嗎?《三體》中描述了太陽系遭二向箔打擊的壯烈畫面,但實際上真有這種事,人類也許根本就看不到。
人類觀察物體都是以光為媒介
同樣,三維世界的粒子和光,也被三維世界的物理定律限定在三維空間裡,根本無法到達二維世界。同樣推理,四維世界和三維世界同樣是沒有任何交集的,維度之間涇渭分明,各自獨立地存在著。既然我們在任何時候,任何情況下都無法感知二維或四維世界的存在,就像卡爾薩根的火龍,一個東西從來看不見、摸不著,沒有任何物理手段可以檢測到它的存在,這和「根本沒有」有什麼區別呢?所以即使有其它維度的世界,我們也盡可忽視它,當作根本不存在。注意,這裡說的是其它維度的世界,而不是其它維度,維度是我們用來描述時空的工具,無所謂存在不存在。
BUG__2:人眼睛無法透視三維
首先,拿我們三維人的眼睛來說,我們平時所謂的對三維世界的感覺,其實更多的是大腦的理解和想像,為什麼這麼說呢?首先,我們眼睛看世界其實和用照相機拍照一個道理,照相機拍出來的照片是平面的、是二維的,人的單個眼睛感光原理和照相機相同,唯一的區別是人有兩隻眼睛,看現實世界存在一個角度差,這個角度差能讓大腦計算出深度數據並推測出物體的大概形狀和位置。但是即使這樣,我們仍然看不到物體的背面的信息,除非我們繞著物體轉一圈,才能全面了解該物體。
三維物體的各個觀察角度
也就是說,三維人看三維物體,雖然我們和周圍的環境都是立體的,但我們能看到的,只是面對我們的那個 「面」。
那麼如果三維人來到了四維空間,假如三維世界物體反射的光能夠傳遞到觀察者的眼中,但是鑑於三維人眼睛的結構,我們仍然無法透視三維物體。
畫圖來說吧,想像二維平面世界上的二維人,看該平面世界的一個圖形。
二維人在二維世界看二維圖形,只能看到一維的圖像
即使把該二維人放到三維世界,因為其眼睛構造的原因,他也無法統攬該二維物體,他看到的仍是該二維物體的切片。
二維人在第三個緯度看二維世界的物體
同理,三維人在四維空間,看到仍然是三維物體的切面,你每次只能看到一個面,一個標準二維的三維截面。當你看一個蘋果時,你不能看透表皮直達果肉,你每次只能看到蘋果的一個有果核有果肉的截面,把蘋果全部掃描一遍後,才能知道這是個蘋果。你熟悉的那個世界已然消失不見,到處都是標準的二維截面,而只有看了大量的截面後,你才有可能在腦中建立起所見物體的三維模型。但是不同的是,三維人可以通過轉動眼睛就可以對該三維物體全貌進行「CT」掃描,通過切面的變化拼湊出三維物體的全貌。
四維超立方體
三維人在四維空間擺動頭部看三維立方體,效果應該就是上圖這樣。
BUG__3:人體不能進入四維空間
霍金曾在《時間簡史》中詳細論證了這個問題,他的結論是二維生物沒法擁有消化食物的腸子,不能維持生命,所以不可能存在,因為它一旦有了腸子,在二維環境下就會分裂成兩個;
霍金認為:二維人不可能存在
四維以上的生物也不可能存在,因為在四維環境下,物質間引力隨距離衰減更大(三維空間引力隨距離平方衰減,四維空間則隨立方衰減),原子中的電子就會飛出去或螺旋狀墜入原子核,任何物質都不可能存在。宇宙只提供了適合三維生物生存的環境和條件,我們之所以存在,是因為它就是要我們存在。
延伸:四維時空和四維空間的不同
最後,值得注意的是,有些知識需要深入了解一下,請注意,四維空間並不是指愛因斯坦廣義相對論裡的三維空間加一維時間,這是一個認識上的很大誤區。事實上,時間維度是獨立於空間維度的,一維空間也有時間,二維空間也有時間,三維空間也有時間,三維空間加上一維時間構成一個四維時空(Spacetime),這並不等同於純粹的四維空間。黎曼幾何之後的高維幾何學已經發展了很多年,在超弦理論裡宇宙的結構是九維空間加一維時間,而M理論裡宇宙是十維空間加一維時間的十一維時空結構。
二維到四維空間坐標體系
那麼,四維空間究竟該怎麼理解呢?如上圖,兩條互相垂直的直線構成了一個二維空間做標註;想像第三個直線穿過交點並垂直於前面兩直線,就形成了一個三維空間的坐標軸;現在,想像有第四條直線從交點穿過,並且垂直於前面三條直線,就形成了一個四維空間坐標軸。然而,這條直線是不可能在三維空間裡畫出來的,它實際上延伸到坐標軸交點內部的四維空間中(在三維空間裡,有前後左右上下六個方向;而在四維空間裡,還要多出「裡」「外」兩個方向)。
總結
空間和時間是人類永恆不變的話題,畢竟超越空間和超越時間一樣,都將是神一樣的存在,就像人類之於螞蟻,開啟的是上帝視角,但是與跨越緯度跨越時間的人類思維相比,現實就比較殘酷,雖然我們能直觀理解二維和一維,這應該屬於一種高緯度對低緯度的優勢,但在我們的空間裡也感知不到任何二維世界或者二維生物的存在,由此應該可以推斷出,四維空間的生命雖然能直觀理解三維以及三維以下的空間,但卻無法觀察到真正的三維空間,在這種時空關係下,人類進入四維空間的可能性是不存在的。