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三维空间与四维空间有啥区别,如何理解,高维空间真的存在吗?

这个问题其实很简单,就是三维空间有三个维度,四维空间在三维上再加一个额外维度。

但这个维加的是空间维,不是时候维。有些伴侣把四维时空看成四维空间是错误的,四维时空就是在三维空间的根本上加上一维时候轴,仍是属于三维空间。

  • 我们所处的宿世界就是四维时空

因为人类在三维空间糊口,也可以说在四维时空中糊口,是以对本身的空间很好理解,就是我们看到的事物都是立体的,有长宽高三个维度,而时候轴贯串此中,具有一维标的目的前性,也就是不会搁浅,一去不复返。

在爱因斯坦的相对论里,时空和物质是一体的,它们同时降生,同时消亡,不会零丁存在。因为空间是物质的容器,没有这个容器就没有物质;而物质是空间的内容,没有这个内容,就不需要空间;时候是物质在空间中活动转变的怀抱,物质和空间是不竭转变的,任何事物都是从生到死一向标的目的前的,是以,没有时候,象征着一切都将搁浅,化为乌有。

但时候是虚数值,只存在于事物的转变里,只可领悟,不成言传,但它确确实实的客不雅存在。若是这个宿世界还有其他分歧文明,标度时候的方式就可能纷歧样,好比人类将时候分为时分秒、日月年,若是存在其他文明则不会这样划分,这是时候的本家儿不雅性质;但宿世界上存在的一切物质、原子粒子的衰变过程,以及天然纪律都是一样的,就是时候存在的客不雅性。

三维空间也就是四维时空,是组成我们存在的真实宿世界最低纬度,在这个维度上再加上一维就是四维空间五维时空。这种时空是什么样子,谁也没看过,是以只在数学上的意义,人类还无法理解。

  • 数学对空间的理解

零维即一个点,这个点没有长宽高,只是一个虚位置,在我们时空中并不真实存在。这有点像宇宙大爆炸起头前,或者黑洞中间的奇点,无限小,无法权衡的小;一维就是在两个零维之间的一根连线,这根线同样没有体积也没有面积,也就是没有长宽高,看不见摸不着。

二维就有了意义,就有了一个平面,也就是有长和宽两个维度,但没有高度(也就是厚度),是以若是从平面看,可以看到这个二维平面,从侧面看就也是没有。

于是,就有一些人想象着二维空间存在的生物,它们存在于一个平面,本身也是一个没有厚度的平面,只要在它们四周画一个圈,哪怕这个圈没有任何厚度,它们也无法超越。而三维生物(就是我们)却可以垂手可得将它们抓起来,丢到圈外,这样圈内的二维生物就会感觉火伴莫名其妙地消逝了,就会跪拜大神。

是以三维生物就是二维生物的大神。事实上二维生物底子看不见同类的样子,因为它们看到的只是一个线段,无法看到其侧面或后面。现实上若是二维生物没有厚度,就连线段也看不到。还有人臆想,二维生物不成能有内脏或消化系统,也就是吃进去拉出来的那根肠子,因为若是有,因为没有厚度,这根肠子就会将身体裂为两半。

还有人把蚂蚁看成为二维生物。其实是大错特错的,蚂蚁虽小,也是有体积的,就是细菌也是有三维怀抱的。是以,只如果我们这个宿世界熟悉到的事物,就是一个原子、一个电子、一个光子也是三维物体。

三维空间就是我们存在的空间了,这个很好理解,就是有长宽高轴,也可以叫上下(高度),南海说神聊(纬度),工具(经度),这三对偏向两两正交当作为直角,一般把它们称为x、y、z坐标轴。

四维空间当然不是四维时空,而是在三维空间上加上一个额外的空间轴,凡是称为w轴,这个轴垂直于x、y、z轴的坐标轴上。这一点很难想象,就像一小我有两只手,加上一只手加在哪里呢?是背上仍是胯下?数学的描述是,这个额外的偏向在我们所不雅察到的三维宿世界的偏向以外。

需要指出的是,任何空间都有时候轴,是以四维空间现实上就是五维时空。是以后面就不赘述时候轴了,只从空间角度来阐述。

  • 四维空间的幻想

因为在我们三维空间,无法真正的体验四维空间到底是个什么样子,只能说是幻想。

在我们三维空间,要达到空间某一点,我们可以经由过程标的目的前、标的目的后、标的目的上下移动,就能实现,也就是说需要三个偏向量就能达到空间肆意一点。从某种意义上来说,三维空间是无数二维空间堆砌起来的。

理论上,四维空间是无数三维空间堆砌起来的,需要往四个分歧偏向移动,才可以或许达到这个空间中的肆意一点,这种空间这个就很难理解了。关头是除了长宽高,也可以说是除了上下、南海说神聊、工具等高度、纬度、经度之外,还需要沿着一对新的偏向移动,在我们三维时空来说,这个新偏向我们不单无法看到,也无法想象。

但硬是有一些人不平不挠地去想象四维空间是个啥样子,比力闻名的就是“克莱因瓶”道理。这个想象中的瓶子是闻名数学家菲利克斯·克莱因在1882年提出的。

克莱因瓶的布局可以描述为:一个底部有一个洞的瓶子,耽误瓶子颈部,让其扭曲进入瓶子内部,而且与底部的洞毗连。这样这个瓶子就没有表里之分,也没有边,一只蚂蚁就可以肆意爬到瓶子表里每一个位置。

但现实上,在三维宿世界永远也做不出真正的克莱因瓶,在三维宿世界,它究竟结果仍是有表里之分,并且只有在瓶颈与瓶底的毗连通道上留孔才可以或许达到瓶子里面,是以它不成能是一个四维空间的物体。

我对四维空间的理解是,我们宿世界是一个圆球,我们糊口在圆球里面,四维空间是在圆球表里我们无法知道的位置增添的额外维度,就像一只看不见的手,随时可以从三维空间将我们抓出这个原本封锁的球,就像我们抓取二维空间生物一样,让我们在球体里俄然消逝,这在我们看来,除了魔术,只有大神才可以或许做到。

科幻巨匠刘慈欣在其高文《三体》中,对四维空间描述的大意是:进入四维空间就像三维空间对待二维宿世界,将那边的生物一览无遗,而它们本身是看不到本身的。三维空间的我们也无法看到本身内部,而四维空间的生物可以看到三维空间的一切,前后摆布、里里外外、成长转变、曩昔将来都尽收眼底,就连身体里内脏、血流、细胞也清清晰楚,没有任何边界,可以肆意伸手触摸,掏出。

而在美国科幻片《星际穿越》中,宇航员库珀失落入一个五维时空中,高级文明为他构建了一个无数叠加幻化方构成的四维时空,在这些方框的分歧窗口,库珀可以看到本身在地球的女儿从小到大各个期间,并经由过程引力效应与女儿最终告竣了沟通,传送给了她拯救地球的公式。

奇奥的是,这种沟通早在本身还在地球时就已经发生,对一些灵异现象女儿有所察觉,只不外还没有沟通上。这就申明在五维时空,时候没有先后挨次,可以截取肆意一段。

库珀的女儿长大后当作为宿世界顶级科学家,用库珀从五维宿世界给她发来的公式,让濒临灭尽的人类重焕朝气。但因为黑洞重力影响,库珀在米勒星球1个小时半斤八两地球7年,等他回到地球,女儿已经齿豁头童进入垂死状况。

这些就是人类对四维空间的理解,靠谱吗?我认为不,真正的四维空间是在我们这个宿世界无法想象的,就像二维空间的生物无法想象我们三维空间一样。

  • 我们宿世界到底有几多维度?

我们是三维空间四维时空的存在,这一点早就已经被人们熟知。但有些理论认为,宇宙原本是10维的,也就是9维空间1维时候,但此刻这些维度有6维已经蜷缩了,缩小到我们看不见的空间里,只剩下三维空间一维时候了。

这就是所谓的弦理论或其进级版的超弦理论。这个理论认为,所有的亚原子粒子并非小点,而是近似于橡皮筋的弦,这些弦的标准很是小,呈线状,有些有端点谓之“开弦”,有些是闭合的圈状谓之“闭合弦”。这些弦不断的振动活动,分歧的振动活动体例就发生了分歧的粒子。

1926年,德国数学物理学家西奥多·卡鲁扎试着在四维时空上添加一个空间维,也叫额外维度,让时空酿成五维后,再将爱因斯坦场方程改写,就可以把那时已知的两种根基力,即电磁力和引力同一在一个方程中。

后来的研究认为,至少需要10个维度,也就是要有6个额外维度才可以或许成立起一个理论框架,而这个框架很可能解决引力、电磁力、强力、弱力等四种根基力的融合问题,也就是让爱因斯坦相对论的引力理论与量子力学兼容起来,是最有但愿实现大同一的理论。

在一些尝试中,如美国的费米国度加快器尝试室,在不雅察MiniBooNE探测器发射μ中微子束的尝试中,呈现的现象完全合适弦理论模子,是以很多科学家此刻对弦理论布满了乐趣和等候,但愿在不久未来,可以或许对宇宙熟悉有一个新的冲破。

弦理论很高深很复杂,俺也是经由过程进修才略知外相,有乐趣深切进修的伴侣可汇集资料慢慢研究,这里只是常识性科普,就不多扯了。

总之,增添额外维度的空间在我们实际宿世界很难理解,存不存在也还没有定论,我们领会个大要就可以了,作为科普,没需要痴迷和深究。列位怎么看?接待会商,感激阅读。

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