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三维空间和四维空间的区别(解读四维空间是真实存在还是虚构的概念)

简单说就是:四维空间比三维空间装得更多。有些人会把四维空间比作是妖魔鬼怪,认为四维空间很虚幻,我们很难想象四维空间到底是什么样子的。

但科学家并不这样认为,他们试图用四维(高维)空间诠释自然规律。

三维空间和四维空间的区别(解读四维空间是真实存在还是虚构的概念)

那么,到底什么是四维空间?

用数学语言描述就是,四条相互垂直的直线同时穿过一个点,组成的空间就是四维空间。

但显然,这种数学描述在我们看来是难以理解的,甚至是不靠谱的:数学早就告诉了我们,通过一个点只有三条相互垂直的直线,哪来的第四条呢?

我们无法想象第四条直线到底以何种方式存在,这很正常,因为如果第四条直线存在,肯定不在三维空间,而是另一个维度。就像一个二维生物(假设存在)很难想象一个点有三条相互垂直的直线一样。

简单讲就是,四维空间更多地体现在数学概念里,比较抽象。而我们需要的是具体的物理学描述。

下面就尽可能地猜测四维空间的某些特点。

三维空间和四维空间的区别(解读四维空间是真实存在还是虚构的概念)

第一,四维空间比三维空间具有更大的包容力,因为多出来一条维度。直白来说就是,四维空间比三维空间更大。

第二,在四维空间里,想要从某个地方去往另一个地方,有更多的轨迹方向可以选择。这就像我们所在的三维空间与二维空间的区别,从一个地方到另一个地方有更多的路径可以选择,而二维空间里只有一个路径。

同时,如果一个人在四维空间里运动,在三维空间里的我们看来,他会突然消失,然后在其他地方突然出现。

三维空间和四维空间的区别(解读四维空间是真实存在还是虚构的概念)

第三,在四维空间里,可以把三维空间进行折叠,轻松实现时空穿梭。这就像三维空间里的我们可以把一张纸折叠起来,实现虫洞效应一样。

四维空间里的物体到底是什么样子的呢?

简单说,就是一种叫做“超体”的东西,超立方体。在超立方体里,每一个面都相当于三维空间中的立方体。

以上只是对四维空间的一些猜测和想象。不过科学是非常严谨的学科,科学家需要的不仅仅是想象和猜测,更需要实证还有对科学发展的一些帮助。

三维空间和四维空间的区别(解读四维空间是真实存在还是虚构的概念)

而爱因斯坦把时间当成一个维度,引入了物理学界,就让物理学的发展焕然一新,这也启发了科学家们的思维:当在物理学中引入高维空间后,物理定理和大自然法则的描述变得更加容易,更加简单。

这也是为什么,如今的很多前沿物理论思想都是以高维空间为基础和前提的,因为在我们的三维空间里,很多大自然法则是无法兼容,甚至会出现相互矛盾的结果,比如广义相对论和量子力学。

而一旦把大自然法则放置在高维空间里,利用高维空间的超对称性,矛盾瞬间化解,完成统一。

科学家们追求的就是终极的大统一理论,而利用高维空间追寻大统一理论,看起来更为简单,也更加简洁!

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