在几何学的理论里,零维相当于一个点的集合,一维则是由无数点排列成的线,二维则是线条交织出的平面,而三维则是平面层层叠加形成的立体空间。生活在三维空间的我们,对这个层次以上的空间结构理解起来还算轻松,但对于更低维度的空间,例如一维和二维,我们却难以真切感知。
即便是对于那些试图理解低维度空间的人来说,他们所描绘的二维世界其实也多半基于数学模型,而非现实物理的存在。例如,二维平面的概念,你能在真实世界中找到一个没有厚度、只有面积的实例吗?尽管如此,这并不是我们探讨的重点,让我们暂且用数学的角度去理解一维与二维空间。
当提及二维空间的生物,许多人首先想到的是蚂蚁,将其作为二维生物的象征。然而,这种说法其实并不准确,更多是人们将蚂蚁形象化为二维生物,但实际上,蚂蚁同样生活在三维空间中,与我们一样。即便我们谈论的是微小如细菌或病毒,它们同样具有三维结构。
我们将蚂蚁比喻为二维生物,是因为它们的感知能力有限,无法察觉到三维空间的立体特性。在蚂蚁的感知世界里,仅有前后左右的平面运动概念,而没有上下的空间概念。很多人曾经做过一个实验,在蚂蚁行进的路线前方划一条线,蚂蚁似乎被某种看不见的屏障所阻,绕过了这条线,而不是简单地跨越它。这就是为何我们会有“蚂蚁是二维生物”的错觉。
然而,我们人类拥有三维的感知能力和复杂的思维,理解二维空间相对来说并不困难。正如我们能俯瞰二维的蚂蚁一样,对于二维空间的观察是俯瞰式的。说到“面”,我们通常默认为平面,但二维的“面”并不局限于平面,它可以是弯曲的,有正曲率或负曲率。平面可以视为曲率为零的面,正曲率的例子如地球表面,负曲率的例子如马鞍面。
数学上,如果我们在二维面上画一个三角形,其内角和恰好为180度,那么这个面就是平面;如果内角和不为180度,那就是曲面。理论上,一个平面可以构建出无数种形状,例如我们将一张A4纸卷成任意形态,那仍是一个二维平面,其上的三角形内角和永远是180度,任意两条平行线永远不会相交。
但如果在一个二维面上画出的三角形内角和大于180度,或者不能画出两条平行线,那它就是一个正曲率的面,例如地球表面。反之,如果三角形内角和小于180度,或者平行线不相交但向外发散,则为负曲率的面,例如马鞍面。不同的曲率可以形成不同的三维形状。
我们所居住的地球,就是由正曲率的二维面构成的三维球体。人类理解地球为三维球体,但蚂蚁等低维生物则无法感知到这一点。古人甚至认为地球是二维平面。宇航员从太空俯瞰,能直观地看到地球是三维球体,因为他们脱离了地球,获得了俯瞰全局的视角。
那么人类能否像宇航员那样,跳出宇宙去观察它的形状呢?显然目前这是不可能的。科学家通过精确测量计算出,宇宙的曲率与零曲率极其接近,这意味着宇宙可能是平坦的。但这并不能确定宇宙就一定是平坦的,它也可能是正曲率或负曲率。
人类在浩瀚的宇宙面前显得如此渺小,我们可能无法感知到宇宙的曲率。即便在地球上,我们也常常误以为地表是平的。所以,如果真的存在更高维度的空间,例如四维空间,高维生物是否正在俯视我们呢?科学目前还难以回答这一问题,但理论上存在这种可能性。
四维空间可能是另一个世界,或者平行宇宙,那里有我们难以理解的自然法则。或者,高维空间可能就在我们身边,就像一些科学家所说,在微观的量子世界,可能存在多达十维的空间。如果高维生物存在,他们为什么不与人类接触呢?或许答案很简单:就像人类不会特意关注蚂蚁一样。
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