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一維二維三維都是空間,為什么第四維會變成時間?

原創
2020-01-16  星辰大海...

對于三維空間大家肯定不會搞錯,因為我們本身就生活在三維空間中,無論什么物體它都會有長寬高三個尺寸,當然我們買房子或者量地皮都會用到一個只有長寬的平方米概念,其實它仍然是建立在三維尺寸上的,這個高度很多時候就約定俗成的省略了!

但低于四維的理解就有些分化,比如有些朋友認為四維是三維上額外增加了一個維度,而時間是獨立于這些維度以外的!但也有另一個理論認為三維空間加上時間就成了四維,這兩種觀點差異非常大,但都是四維空間,大家都傻傻分不清了!

關于歐幾里德空間

其實歐式空間到三維為止都挺容易理解的,因為歐式空間是構成我們世界觀的基礎長寬高的刪減和延伸,比如可以用如下擴展圖來表示:

從零維到四維

從我們熟悉的三維空間出發,刪去高度就成了二維,扇區長或者寬就成一維,最后刪去長度就成了零維,而三維往上增加一維就成了四維,似乎很簡單,但怎么加,加在哪里?這成了個大問題!當然這難不倒我們,我們從最簡單的思維開始往上理解:

無數零維的點相加,就成了一維的線!

無數一維的線相加,就成了二維的面!

無數二維的面疊加,就成了三維立體!

四維??????

無數三維立體疊加,就成了四維超體!

二維的面是三維空間無數切片中的一片,對于二維我們一覽無遺,假如在二維空間上還能存在生物的話,我們對它們的操作完全是超脫于理解的,因為它們的生活范圍僅限于那個沒有厚度的平面,而三維空間中的人類則可以從三維這個額外的維度進入二維平面后離開,再出現在二維平面,這是什么操作?當然是神跡啦,因為二維生命會看到某個物體在二維空間中消失,然后突然出現在另一個位置,這不是神跡嗎?

那么三維呢?按此理解,三維空間只是四維立方體的無數切片中的一個,就先三維對二維的神跡操作一樣,四維對于三維的操作也是超出我們理解之外的,比如再堅固的保險箱或者監獄,甚至地下核爆掩體,對于我們三維空間中生活的人類來說,那幾乎是堅不可摧的,但對于四維,因為他們可以從額外的維度中進入這些區域,并且將物體取走而不需要走三維中長寬高組成的任何一條路徑!

可怕嗎?

如果真的存在四維空間,且能夠在里面生活的生物的話,那將是一件非常可怕的事,但更可怕的是如果這個物種是《環太平洋》中的怪獸的話,那就是末日,因為《環太平洋》中知道它們從太平洋底某個區域爬出來,但現實中我們根本不知道它們會從哪里來,也不知道它們會從哪里消失,所以相比之下,我們寧愿高維度生活的是一群以觀察我們為樂的超級文明!

五維空間呢?以此類推,對于歐式高維空間,這是沒有限度的,只是我們的腦袋夠不夠用而已,因為到四維已經都是線條了,五維就全是線條,六維或者七維那就是一個毛線球!

關于閔可夫斯基空間

很多朋友可能不太了解閔可夫斯基的四維空間描述方式,但相信各位肯定看到過愛因斯坦狹義相對論中關于光錐的描述,這個有三維空間坐標加上一維時間軸構成的四維空間,跟歐式四維空間差距很大,但事實上比四維空間要好理解得多!

光錐

《三體》中有一句描述我們無奈現狀的經典語句“光錐之內是命運”,以你為坐標,畫個在這個時間內光速可以到達的區域,超過此區域,任何事件都與你無關,除非時間走到那個光速可以到達你的區域,這就是你的命運,這就是光速屏障,不只是速度,還有我們對于是時空理解的局限。

簡單的說比如太陽即使現在熄滅也和我們無關,因為這個事件會光的速與我們產生關系,但這需要時間,它大概需要在8.33分鐘之后才能進入我們的光錐之內,我們才能獲知到太陽熄滅這個事實!但在科幻小說或者科幻片中的四維空間描述,卻不是這樣,因為在這個時間軸上,可以前移也可以后退,簡單的說閔可夫斯基空間中的時間軸將成為長寬高一樣的物理尺度。

比如《星際穿越》中馬修·麥康納飾演的庫珀掉入了卡岡圖雅黑洞,但在這個黑洞的奇點處卻是一個閔可夫斯基的四維時空,無巧不成書的是它的投影正在庫伯家的書房,庫伯可以在這條時間軸上上下移動,看到這個房間的過去和未來,對于庫伯來說,這個房間就像一本書一樣,可以翻到任何時候去觀看,但卻無法干涉這個空間,所幸的是上帝關上了所有門和窗的同時,留了引力干涉一條縫,使得庫伯可以像鬼魂一樣引起那個房間的各種動靜。

這就是墨菲很少呆在書房的原因,因為書房鬧鬼,但最終庫伯在大火燒了他們家房子之前將關鍵信息傳遞給了墨菲,得以解出引力場方程,將大批人類克服引力送上土星軌道上建造好的巨型空間站!有朋友認為這個庫伯所在的空間是一個五維空間,但其實就是一個閔可夫斯基空間而已!

關于弦理論的二十六維空間

當然在這些四維空間的描述中,無疑弦理論也是一個,最早期的弦理論要求時空是二十六維的,當然這個維度實在有點多,但在1971年時施瓦茨和雷蒙等人合作,將超對稱”的思想引入了弦理論,把原來需要26維的弦論簡化到只需要10維!從二十六維弦理論降到只有十維的超弦理論!

超弦理論認為,任何粒子都不是一個基本粒子所謂的點,而是開放或者閉合的一條弦,當它們以不同方式振動時就成了我們所熟悉的各種粒子,比如光子電子甚至引力子!所以我們生活在一個十維時空中,不過有6個維度是蜷縮起來的!另外四個維度就是我們的三維空間加上一維時間!

而我們所謂的那個基本粒子,就是一個蜷縮了六維空間的“球”!

超弦理論中的四維空間,應該就是閔可夫斯基中時間為一維的空間,但這個時間維度是單向的,我們無法移動,只能隨著時間的流逝而逐漸發生!而在歐式空間中時間,則無論在哪個維度來看時間都是獨立存在的,它不屬于其中一維,時間的流逝對于空間維度結構沒有關系,但對于空間存在的意義有關系!

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