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什么是四维空间?三维空间只是四维空间的投影?

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爱因斯坦在相对论中,提出了三维空间的理论,并且认为我们生活的宇宙,由三个空间维度+一维时间组成,统称为四维时空。

按照爱因斯坦的理论,我们的空间维度为三维——长、宽、高,处在三维空间的物体,可以在这三个维度中自由移动。由于我们生活在三维空间,因此我们可以直接了解一维空间和二维空间。

但是,三维空间就是空间的最高维度吗?会不会存在空间的第四维度,甚至更高的额外维度呢?

三维空间,只是四维空间的投影?

四维空间对于我们来说,是一个完全没有接触到的领域,就像一维生物无法接触宽度、二维生命无法接触高度。但是通过维度的逐渐提升,科学家可以找到四维空间的一些规律。

如果将二维的面进行投影,可以得到一维的线;如果将三维的立体物体进行投影,可以得到二维的阴影面,由此可以判断出——如果将四维物体进行投影,或许可以得到三维效果。

但是从三维空间的角度来看,投影带有长度、宽度、高度,四维空间的物体非常难以想象。

因此科学家认为高维度的空间,或许存在于更高维度的宇宙之中,或者是人类目前的科技能力无法感知到第四维的存在,因此无法理解四维空间的相关推测。

从宏观角度来看,三维空间已经足够使用,可以前往空间中的任何地方,但是从微观角度来看,想要统一基本力,拥有额外维度是一种有效的解决方式,弦理论甚至提出十维宇宙,这样弦理论中的基础“弦”,就可以在十维空间中进行复杂振动,进而形成丰富的微观粒子。

四维空间有哪些特点:

人类从来没有接触过四维空间,简单来说,就像是让一个从来没有见过大象的人,想象一下大象的模样。

科学家只能通过对一维空间、二维空间、三维空间的递进认知,来推测四维空间的可能性:

  • 第四维度的垂直性:

一维空间的线条,增加一个垂直维度,就可以形成二维平面;二维平面增加一个垂直维度,就可以形成三维立体,因此在已有的三个维度上,再增加一条垂直线,或许就是第四维空间。

但是在长、宽、高三个维度中,找到与三个维度垂直的线条,目前是无法实现的事情。

  • 第四维度的透视性:

一维线条,从二维视角来看,线条可以一览无余;二维平面,如果从三维视角来看,平面可以一览无余,内部也可以清晰看到。

因此从四维空间观察三维物体,应该可以直接看到三维物体的内部,因此三维物体对四维空间来说,并没有内外之分,这也是克莱因瓶等物体的设计初衷。

低维度空间可以影响高维度空间吗?

想要直接找到四维空间,是很难实现的事情,但是科学家提出了一个疑问——如果低维度空间存在生命,那么生活在二维平面上的生命大声说话,三维空间可以听到吗?

如果低维度空间无法干涉高维度空间,那么人类在三维空间中,想要找到并进入四维空间就会非常困难。

科学家以低维空间可以干涉高维空间为基础,进行了引力实验,通过观察三维物体的精确引力作用,寻找引力作用被四维空间干扰的证据。但是实验发现万有引力全部源于三维空间。

虽然实验结果可能只是因为人类仪器精度不够导致,但是这也说明三维空间很难影响到四维空间,或者根本无法影响四维空间。

总结:

空间的额外维度,是很多科学家希望证实的一个理论。

如果可以证实额外维度的存在,那么平行宇宙理论、弦理论等物理学理论,就可以找到确切的依据。

额外维度的存在,也可以帮助科学家解释物理学中的很多现象,从而帮助科学家更进一步了解宇宙空间的真相。

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