四维时空与四维空间

08-01

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随着三体的爆火，里面神级文明对维度武器的利用吸引了很多人对“维度”这个概念的兴趣，降维打击真的是很酷，二向箔更是让我们大呼这科幻过瘾，可是有部分的朋友们好像对时空，空间与维度的理解出了一些偏差，那么今天就和大家聊聊与维度，时空与空间的相关的话题。

我们先说说什么是四维空间，四维空间与四维时空是不同的，甚至可以说是两个完全不同的概念，这就导致了网上很大部分的时空科普视频都是有一定问题的。要知道二者的不同，我们首先要知道学术界关于“维度”的定义，“维度”一词在不同的领域具有不同的定义，比如在物理和数学上，维度的差别就很大了。

数学上的维度

数学上的维度一般就是多了一个坐标，点A(x,y)就是一个二维坐标，而B(x,y,z)则是一个三维坐标，这里的x，y，z就是维度，因此数学领域里，我们可以有无数的维度，只需要加一个坐标参数即可。一般来说，数学上的四维空间是指一个标准的“欧几里得空间”，假设一个点的坐标为A（x,y,z,t），这里的第四维t具有和其它三个坐标一样的性质，并没有特殊的属性。

物理上的维度

物理中的维度则不是这样的，维度在物理中一般指独立的时空坐标数目，而四维时空又叫做“闵可夫斯基时空”，闵可夫斯基是爱因斯坦的老师，也相当厉害，是他最先将爱因斯坦与洛伦兹的理论合二为一进行了新的表述，称“3+1维时空”，即三维空间加一维时间。爱因斯坦刚开始对自己老师的这种观点很不认同，但是随着他研究出了广义相对论，他才意识到这种3+1描述的重要性。

欧几里得空间

基于数学与物理的理论，我们就衍生出了两种关于空间维度的理论，第一种就是“欧几里得空间”，他认为时间与空间相互独立，二者不能够放在一起考虑。针对这个理论，人类利用二维创造出了三维的“莫比乌斯环”，利用三维构思出了四维的“克莱因瓶”。

闵可夫斯基时空

而“闵可夫斯基时空”则认为时空一体，时间与空间不可分割，我们人类就生活在三维空间里，但是有一个一维的时间。在这种理论下，我们认为时间也是可以用多个坐标来表示的，然后将时间与空间进行排列组合，就形成了多维空间，这样就出现了“平行宇宙”的理论。

四维空间

理论说到这里相信大家对时空与空间已经有一个清晰地定义了，这里我们先说说四维空间，一般我们认为一维就是一条直线，线动成面，二维就是一个平面，面动成体，三维就是一个立体。这里可能大家会犯一个错误，我们知道直线就是特殊的曲线，那一维能不能是曲线呢？同理，二维能不能是曲面呢？答案是毋庸置疑的，都可以。因为我们平时接触的坐标系里的坐标轴都是直线的，所以我们就默认了直线与平面，但放在维度上这是不准确的，曲线与曲面才是相对准确的，直线与平面只是特殊情况。

假如有一个一维生物，他只能向前或者后退，不能往前后左右运动，那我们就认定这是一个一维世界。基于这个方法，不管是直线还是曲线的一维世界，亦或是曲面或平面的二维空间，三维的空间与空间扭曲我们的大脑里也有画面，可是你能够想象出一个四维空间吗？实话实说，人类的感官注定了人类是无法想象出四维空间的，因为我们从未见过。要知道，我们人类的一切艺术创造与科学发明都来自于一个具象，人类是无法无中生有地去描绘一个东西的，就像一个天生的盲人，无论他多聪明，你永远无法向他解释天空的蓝色是什么。

这里可能有人还是不信我们人类无法想象四维空间，我们再举个例子，我们知道，低维空间经过旋转与折叠就会得到高维空间，一条线旋转一周再对折会得到一个圆，一个平面旋转一周再对折就会得到一个莫比乌斯环，这时候你想象一下将一个正方体旋转在对折，你想得出来吗？我们能够在理论上说清楚克莱因瓶，但我们永远无法想象一个真正的克莱因瓶是啥样的。

其实我们想象不出四维空间是很正常的，因为我们的感官都是二维的，比如我们看到的物体都只是一个平面，是因为视差才会让你有立体感，所以才会有以假乱真的画作。所以可以这么说，我们认识的三维物体都是二维化的。假定你在你的大脑里想象一个正方体，那么这个正方体肯定是在转动的，现在请你让你脑中的正方体停下来，这时候你还能看到这个完整的正方体吗，你看到的永远是一个平面，你不可能同时看到这个正方体的6个面。这是因为我们的视觉感官都是二维的，假设你有一双三维的眼睛，你才会同时看到一个立方体的6个面，或者举个更加清晰地例子，你玩纸牌游戏时，要是你的视觉是三维的，那么你就可以在纸牌扣着时看到牌面是什么，那么即使你技术一般，只要牌面还可以，基本就是赢定了的节奏。

除了上面的例子，还有人喜欢用蚂蚁举例，总爱说蚂蚁是二维生物，这些人觉得蚂蚁生活在一个没有高度的概念的平面上，那你可是误解蚂蚁了，要是小编我是一只蚂蚁，我肯定会说，哪凉快哪呆着去，不懂可以说但是不可以乱说，有会飞的蚂蚁知道吗，而且蚂蚁再小也是有高度的，1毫米不是高度啊。这里小编可以告诉大家，只要是我们肉眼看到的实物，都是三维物体。

四维时空

四维时空这个理论很有趣，时间是这里的第四个维度，空间中的一点如果用坐标来表示就是A(x,y,z)，而时间却只有一个坐标，这意味着他只有X轴。这里让我们打开思维的大脑，要是时间有Y轴会怎样？在四维时空理论中，时间的Y轴只是一种可能性，这意味着经过Y轴上的点我们可以画出无数条平行于X轴的直线，这里的每一条线都是一种可能性，在不同的可能性里，你可能是一个厨师，也可能是一个老师，亦或是一个首富。这就是平行宇宙理论的由来，按照这个理论，科学家们继续往下推理，我们的的宇宙最高将是10维的。在10维宇宙里，包含了一切与一切的可能性。

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