为什么人类无法画出四维空间?

沈伟鹏

简单说,是因为人类无法理解所谓的“四维空间”,这样的概念目前还是人类想象出来的,但具体什么事四维空间,没有谁知道,甚至连四维空间是不是真的存在还是未知数!

同时,四维空间与四维时空不是一个概念,四维空间是除了我们熟知的三维(长度,深度,高度)之外,在空间上还有第四个维度存在!而四维时空指的是我们的三维空间+时间,时间是另一维度!四维时空是我们每天都没感受到的真实存在!

但四维空间目前没有谁没诠释清楚,那个第四维度到底在哪里?而且根据一种叫做“弦理论”的概念,不止有第四维度,宇宙中存在的多达10个维度的存在,这种概念更让人捉摸不透!

或许因为我们每天生活空间的局限性造成了我们根本无法认识到第四维度的存在,甚至第四维度就在你我身边,但无论如何我们就是感知不到,这与人类科技无关,只是因为我们本身就是三维物种,我们只能感知到三个维度!

说白了,如果有谁能画出所谓的四维空间,那这个人也肯定能感知到第四空间的存在,目前看来这显然是不现实的!


宇宙探索

人类无法画出四维空间这种说法有点片面,因为四维空间大部分人肯定是无法理解的,但不排除有人会理解。我们目前认为的四维空间是我们生存的三维空间+时间,我们用肉眼是无法直接观测四维空间的,那么,就算能画出四维空间也是看不到的。有种描绘空间维度的假想,假设一张纸上存在着一种二维的生物,它只能在二维的平面内运动,用一个框将其框住,它将无法逃脱,也不能选择从上方逃脱,因为它不能想象并描述出真实的三维空间,因为它无法进入三维空间,真实的三维空间是什么样它是无法得知的。

对于我们人类来说,三维空间我们可以用二维的绘画来描述,如果用二维绘画来描述四维空间,其中差了两个维度,这就好比画一条直线(一维空间)来描述三维空间,怎么做到呢?反正我也想象不出来。人类作为三维空间的生物,增加一个空间维度,其实很难理解,从维度的角度来说,维度就是描述一个点所需的最小坐标数,如果我们要描述一个四维空间的物体,那么问题来了:第4个维度该表示什么?

我们并不知道它丈量的到底是什么量,同样的,任何n维生物在试图想象n+1维空间时都会遇到相同的问题。但通过投影是可以画出四维图形的,比如超立方体:一个顶点连着4条柱。我们的宇宙可能高达11个维度,因此要弄清楚宇宙的全部奥秘,估计人类要自己先有所进化。


川陀太空

就比如说一个天生的瞎子无法理解光明的世界,即使他可以通过触觉和想象加工出世界上一些东西,但是却无法感受到阳光照耀和五颜六色。当全世界人天生都是瞎子的时候,也许出现一个提法说世界是由色彩的,这时世界上根本没有颜色这个概念,那么表现颜色也就无从下手了。

有很多人是认为四维空间是三维空间+时间,四维空间里三维空间中的虚时间就会成为一个时间坐标轴,而且各种物体可以通过移动穿越虚时间。

还有一部分人认为,三维空间是采用相同的计量单位的,而时间的本质是对物质运动过程的划分(时是物质的运动过程)。因此第四维空间也应该采取和第三维空间相同的计量单位。这种三维空间+时间的说法其实是四维时空(而四维时空因为本身就是四维的所以可以直接称之为时空)。

其实四维空间问题特别抽象,现在的讨论也全是基于四维空间理论确实正确的基础之上的,感兴趣的朋友还可以参考刘慈欣关于四维空间的描述。等到科学技术极度发展之后,人类对自然规律的认识全面刷新,说不定会对高维度空间有新的更科学的解释。

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人类永远也无法画出真正四维空间的状况。因为在我们这个宇宙,人类从未见过也不可能见到四维空间。

目前维度解释认为,四维空间是由无数三维空间组成,假定这个描述是正确的,谁有能耐画出无数个三维空间?

我们是在三维宇宙是无法真正理解四维空间的,一切企图描绘出四维空间的努力都只能是凭自己的理解和想象,即使得到很多人认可,认为画得再"像",谁又能证明其真正"像"呢?这就是所谓四维空间模型

就像很多人不断地提出这样的问题:飞碟是用什么动力飞行呢,是怎样克服地球重力的呢?时空通讯过去回答过不少类似问题,我认为这是一个伪命题。

因为除了传说和谎言,或者幻觉,科学界没有认定过一例真正的"飞碟"事件,这个"飞碟"本来就是一些人臆想臆造的事情,怎么能够去分析研究其动力原理呢?只有愚蠢的人和神棍才会去研究这种虚无的东西。你能理解这种所谓的四维空间模型吗?

人们从数学角度上对0维到N维空间进行建模,认为0维就是一个点,这点没有体积;一维就是一根线,由无数个0维组成,只有长度而没有宽和高;三维就是具有长宽高的立体事物,由无数个二维组成,就是我们的世界;四维就是无数个三维组成等等。这种描述也只有认同的人多少,并不能证明描述的正确。

时空通讯并不否认这异度空间的存在,就像不否认外星文明可能存在一样。时空通讯甚至认同宇宙大爆炸之前的奇点就是超时空的东西,或许是个0维事物,所以人类永远无法解释。时空通讯只是反对随意的编造和谎言,反对大言不惭胡言乱语。事实上现在的弦理论认为我们的宇宙有11个维度,只是由于其他维度在宇宙发展中都卷曲了,到了很小很小的存在,人类发现不了它们。时空通讯对于这些新理论并不排斥。

也有人把四维空间描述成莫比乌斯环和克莱因瓶

但时空通讯认为,人类就是三维世界的东西,就是生活在三维世界,三维世界的人类永远对不同维度的事物只能猜想,无法进入和证实,我们不同维度的物质无法完整穿越时空,特别是生物无法在不同维度生存。

除非物质性质发生了改变,比如黑洞在强大的时空曲率下,将物质压缩到极致,压缩到人类无法了解的地步,就穿越了时空,成了奇点。这个时候人类或者各种三维世界的生物还能活着去感知吗?所以人类永远无法真正的描绘出四维世界的真实状况,也永远无法真正感知超时空的东西。


时空通讯

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珑心格物


可以画出来,上面这张就是思维空间图;但是这样的图普通人很难理解,因为我们所看到的世界——是三维空间的二维投影。


所以,要画出四维空间就要把四维空间降低两个维度,空间的畸变很大,所以除了经过训练的物理学家,一般人很难看懂。

要把这个问题说明白,就要说明四维空间是什么;我先从0维说起,大家一起来想像一下(人的大脑是可以超维度的,所以可以想像出高维空间)

0维—— 一个点,没有上、没有下、没有左、没有右也没有前也没有后,就是一个点。

1维—— 无数个点(0维空间)组成的一条线,有了前和后的概念;但是,任然没有左右和上下。

2维—— 无数条相同的线(1维空间)组成的一个面;有前后也有左右的概念,但是,上和下任然不存在。

3维—— 我们生存的空间;由无数个面(2维空间)一层一层的叠起来组成的“立方体”空间,有上下、有前后也有左右的概念。

4维—— 超越我们生存的空间;由无数个立方体(3维空间)组成的“超立方”空间。在这个空间里,上下、左右、前后是无限的。

5维………………


当知道了四维空间是由无数个三维空间组成的,我们就可以想像出四维空间大概是这个样子的:


TDtank126

首先,数学上的“四维空间”跟爱因斯坦所提出的“四维时空”是不同的,很多人对两者有所混淆。其次,我们无法直接在三维空间里去直接描绘四维物体,但是可以观察四维空间的物体在三维空间的投影。举个栗子

一维、二维和三维空间我们都可以很直观的感受,并画出来。

如果再加入一个维度,能找到一条轴线与另外三条垂直吗?在三维空间中是不可能的。但这并不妨碍我们试图去理解四维空间。

19世纪,瑞士几何学家路德维希·施莱夫利,是最早理解多维空间存在并研究其几何学的人。主要成就之一,是列出四维空间中的所有规则多面体。

可以通过类推的方法帮助我们理解四维物体。在这之前,需要遗忘我们所熟知的世界,想象一个视觉与感觉都不能直接进入的新世界。

下面是一维的直线、二维的三角形和三维的四面体,分别有2个,3个和4个顶点。因此,可以尝试画5个顶点的图形。

5个顶点两两相连,可以得到10条棱,10个三角面;每四个顶点中加入一个四面体,共5个四面体。于是我就造出了一个四维物体,叫做“单形”。

想象它在四维空间转动,我们看到的只是它在三维空间上的投影。它的面变得混乱起来并且互相交错。

为了用我们三维的眼睛来观察这些四维物体,我们可以看它们在三维空间的阴影。正如画家将风景投射到画布上一样。

这是一个超立方体的阴影。

这是开头的24号,它在三维空间里没有类似物,纯粹的四维物体。

120号的阴影,非常复杂。

冠军是600号,像一个宏观分子。

以上图片素材皆来自纪录片《维度:数学漫步》,全片从S2球面,讲到球极投影,进一步到正多胞体、复数、分形、S3球面等等。四维空间只是其中一部分,说实话第一次看的时候还是比较难懂的,但能够如此直观地看到四维物体的投影,这部纪录片确实给我认识高维空间提供了全新的视角,并带来了很多心灵上的震撼。


程长君

对于未知的东西怎么画?画出来也没人信。打个比方。古代人也奇思妙想的画一个手机。他能画出什么样的东西出来?画的像萝卜还是像狗?跟这些道理是一样的。因为现在的人根本就想象不出真实的四维空间。怎么画的出来呢?画出来了也没人认可。因为大家都没见过。谁敢确定说这就是?以后一定能画出来的。留给后人吧。


爱透条

标题没有确切给出“”画“”的前提条件。通常我们理解画的含义是指在二维平面上做出的图形,如果按这个定义理解甭说是四维,就是三维在平面上也是画不出来的,所能画出的也是形象的伪三维图形。是否有办法用二维平面来表达三维呢?答案是有,只不过是近似有限三维,知道3D打印机原理吗?就是用若干个二维平面图“”堆叠“”出三维结构的。之所以说是近似三维是因为每个二维平面均有厚度,这个厚度理论上可以无限趋近于零,假如定义每张二维平面坐标轴为X轴和Y轴,那么堆叠起来的高度方向就是第三维的Z轴,当然堆叠平面是有先后顺序的并不是胡乱堆叠,也就是说只有确定Z轴的值才能确定一个二维平面图,反过来说三维空间可以通过降维成二维平面方式来表达,当确定Z轴值后就可确定二维平面图,同理,当确定X轴值后也能确定一个平面图,确定Y轴值也是一样。结论:只要确定三维中任意一轴的值就可以确定二维平面图,这就是降维表达原理。那么按着这个思路下去,四维空间同样可以通过降维方式表达。假设第四维为M轴,按照上面原理只要确定任意一轴的值就可以把四维降成三维,所以我们看到的三维空间只是M轴值为零下的空间。同样我们也可以让Z轴为定值来展示出别样的三维空间,比如Z轴为定值,那么三维空间是由(x,y,m)点组成的,还可以换个角度比如Y轴定值由(x,z,m)点组成的,以此类推,这样就能看到第四维M变量变化时降维的三维空间图,从而把看不见的第四维变成看得见。每个定值便是一个三维空间,把若干个三维空间图同时摆列出来就可看到四维(x,y,z,m)近似空间图。当然在三维基础上还可再降一维变成二维,比如(x,m)点组成的平面,但更加抽象需要几何增长数量(四个变量二组合)的二维平面信息来表达四维空间信息。


漏风云客

主要问题是人类目前还没有明确的发现四维空间,甚至对四维空间的主观猜测也纷乱不清。科学界普遍认为四维空间是三维空间与时间组成,或者说是一个连续运行的三维空间,这似乎说得很明白了,可是真正能够理解的人还是没有。虽然格局阻挡了我们的眼光,但是阻挡不了我们对远方的渴望,人类探索四维空间的努力,不会因为困惑而退缩,只会变得越来越顽强!对于四维空间概貌,个人的看法可能有点与众不同~它应该是由物质与能量及“转换力(无法描述暂名之)”组成的。在四维空间里,物质与能量可以不断转幻,且处于瞬息万变状态中,并没有一个稳定的形态,所以,四维空间是无法用笔描绘出来的。


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