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什么是四维空间（如何理解四维空间？）

实习编辑 • 2023-10-25 16:06:20 • 用户投稿 • 阅读 3

什么是四维空间（如何理解四维空间？）低维生物永远无法理解高维空间 

空间的遐想

众所周知我们是生活在三维宇宙之中的人类，那么对于空间的维度，我们也只能理解到三维。就好像我们身边的蚂蚁，是典型的生活在二维空间之中。它们只知道前后左右，并不知道有上下之分。数学概念就是：对于世界，它们知道有x轴和y轴，却不知道有z轴。与此同时，我们人类也只是四维空间的蚂蚁，对于高维度的空间我们只能去猜测不能够去证实。

零维到三维空间的形成

从零维宇宙说起。零维宇宙是一个奇点，一个无限小的点，代表存在或则不存在，一切都是从零维开始。

一维宇宙，是一条无限长的线，可以理解为只有一条坐标轴，x轴。一维空间只有前后之分，没有上下左右。

什么是四维空间（如何理解四维空间？）

二维空间，是一个无限大的面，这时空间多了一条坐标轴y轴。二维空间只有前后左右没有上下。你可以把二维空间当作一幅画，无论是《梵高的星空》还是达芬奇的《蒙娜丽莎》都是这样五彩缤纷的二维空间。

三维空间，就是x,y,z轴齐活，我们就是生活在三维空间的三维生物。可以有空间立体，可以大江大河。这时梵高的星空就会显得琳琅满目，蒙娜丽莎的微笑你可以看到摸到。

从一维到三维空间的形成，也真的正如我们中国古代著名思想家哲学家老子的《道德经》所述：“一生二，二生三，三生万物”一样。但是对于比三维空间的更高维度的四维空间，我们人类保持着一如既往的探索，却也只能试着猜测。

多维空间

四维空间的假想我们已经知道三维空间是x轴y轴z轴即长宽高三个维度构成。那么四维空间的第四个维度到底是什么呢？

1.基于时间维度的四维空间

在遥远的18世纪，在当时随着分析力学的发展而有所前进。达朗贝尔.欧拉和拉格朗日的著作中无关紧要的出现第四维的概念，达朗贝尔在《百科全书》中表明关于维数的条目中提议把时间想象为第四维。

著名科学家爱因斯坦曾表示：时间也是空间的一个维度，那么极有可能四维空间就是在我们所生活的三维空间多了一个时间轴。就好像我们时时刻刻在时光中度过却无法去改变时间一样。

空间与时间

2.基于空间几何为维度的四维空间

也有一种基于几何空间学的猜想。就像无数点可以连成线；无数线可以绘成平面；无数平面又可叠加成一个立体一样。那么我们所处在的三维空间是否也可以叠加？因此也有无数的科学家试图假设三维空间折叠的概念。按照常规的思维去猜想，无数个三维空间去折叠累加，也只不过是一个空间无限大的三维空间而已。这也是为什么我们三维生物永远也无法理解四维空间一样。

在19世纪高于三维的几何学还是被拒绝的。直到德国著名数学家，天文学家麦比乌斯在其《重心的计算》中指出，在一个三维空间之中假设有互为镜像的两个图形是不能够重叠的。不过在更高维度的四维空间，却能够重叠起来。但是他之后又说：“这样的四维空间是难以想象的，所以想要叠加几乎是不可能的这种情况的出现是由于人们把几何空间与自然空间完全等同看待的结果。以至于直到1860年，库摩尔还嘲弄四维几何学。”

但是，随着数学家们逐渐引进一些没有或很少有直接物理意义的概念，比如说虚数，只有这样数学家们才能摆脱“数学是真实现象的描述”这样的观念，并且渐渐支持以纯观念为主体的研究方式。虚数其实是一种十分难以理解的概念，因为它在我们所认知的自然界中并没有实在性。把虚数作为直线上的一个具有定向性质的距离，再把复数当作平面上的一个点或者一个向量，这种解释为后来的四元数，非欧几里得几何学，几何学中的复元素，n维几何学以及各种稀奇古怪的函数，超限数等的引进开了先河，摆脱直接为物理学服务这一观念迎来了n维几何学。

 

人类永远也无法制造出来的克莱因瓶

也因此，四维空间的产物最典型的就是克莱因瓶。就好像常见的没有正反面的莫比乌斯带一样克莱因瓶没有内外之分，即使整个太平洋的水，也没有办法将它装满。正因克莱因瓶是一个在四维空间里的特殊的无定向面，必须需要4个空间维度才能完整展示。所以即使是人类最为顶尖的技术也永远都制造不出来真正意义的克莱因瓶。因为我们能操作的世界只有三个空间维度，还差一个维度呢，这在物理上是无法突破的，就像我们在平面上能制造一个球体吗？显然不可能……

《三体》中的四维空间《三体》作为中国最著名的科幻小说，其作者刘慈欣更是中国科幻小说代表作家之一。因为四维空间并未证实，所有的结论也都只是猜想，因此《三体》中的四维空间理论，也可以作为对于四维空间猜想之一。

《三体》中的四维空间是这样描述的：“四维空间有无穷无限的细节以及复杂度，并且置身于四维空间的感觉是难以用语言来描述的，就像只可意会不可言传一般。类比一下，想象生活在我们这样三维空间中有一张二维平面画中的扁片化的人，就可以比作我们常见的动画火柴人，不论这幅画中的世界多么多姿多彩，其中的二维火柴人只能看到周围世界的侧面，在他们的眼中，周围的人和事物都仅仅是一些长短不一的线段而已。只有当一个二维扁片人从画中飘出来，进人三维空间，再回过头去看那幅画，才能看到整幅画的全貌。

也正是这样的类比，假如我们生活在四维空间，再去看三维空间也就是这种感觉。我们并无法得知三维空间的诸多细节，例如我们无法看到黑匣子中的有着什么样的东西，黑匣子后边又有怎样的细节。但是当我们置身于四维空间，再去看那个充满谜团的黑匣子，一切细节都会呈现眼前，无论是其内部构造，还是其背后的花纹，我们都能尽收眼底。也正如此，任何东西都无法挡住他后面的东西。任何物体都无法隐藏，都将暴露在外。我们能直接看到自己的内脏以及骨骼，还能看到骨骼中的骨髓。但“并列”这个词同样也可能会引起诸多误解，人体各部分的物理空间位置并没有发生任何变化，皮肤依旧包裹着内脏和骨骼，每个人在三维世界中的熟悉形象还在，是细节的其中一部分.也与其他无限的细节并列在一起。”

平行相似的宇宙

平行空间论的四维空间平行宇宙是指从某个宇宙中分离出来，与原宇宙平行存在着的既相似又不同的其他宇宙。

平行宇宙概念的提出，得益于现代量子力学的科学发现。在20世纪50年代，有的物理学家在观察量子的时候，发现每次观察的量子状态都不相同。而由于宇宙空间的所有物质都是由量子组成，所以这些科学家推测既然每个量子都有不同的状态，那么宇宙也有可能并不只是一个，而是由多个类似的宇宙组成。

就好像我们生活中，发生任何事情都有无数种可能一样，每一种可能都会衍生出一个平行宇宙。而这无数平行宇宙代表着生活中的无限可能，也就是所谓的四维空间。那样，四维空间就是把所有可能在不同空间发生一遍。就好像在我们这个宇宙，一个人是乞丐，那么一定在平行空间下的另一个宇宙他会是国王。

 

总结：我们在我们的宇宙中也是无限渺小，我们宇宙在四维宇宙又是无限渺小。我们对于四维空间的认知也仅仅是一种猜侧，低维生物很难理解高维生物的维度壁垒。希望有一天，我们科学家能够用智慧去证实四维空间的真实面目。

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