爲什麼人類想像不出四維的空間?

聚朋友之縱橫中外


首席投資官評論員門寧:

人類是可以想象出四維空間的,已經有很多科普文章來介紹多維度的空間,但是大部分人仍然不理解四維空間。

我看到很多人的答案裡仍然把時間作為一個空間維度,這點我是不認可的,時間與空間完全是兩個概念,並不能混為一談。大家願意相信時間是第四個維度,只是因為時間是我們可以觀察體會並計量的。因此在考慮空間維度時,第一個想要加上的就是時間。

但為什麼我不認可,需要看接下來的分析。

我們衡量空間的尺度,有距離、面積、體積,這幾個詞剛好是用來形容一二三維空間。

一維

一維空間只是一條線,線上只可以向前和向後,這條線可以是直的,也可以是彎的,甚至可以是螺旋的,但是無論什麼形狀,處在這個空間上的物體只能向前或者向後移動。

比如從A點到B點,只能沿著這條虛線走完(想想一下蚊香燃燒),不可能繞過中間的線到達B點。

二維

二維空間是一個平面,是在一維空間基礎上增加了一個維度,仍然是從A點運動到B點,物體運動不必侷限在原來的那條線上,而是可以通過其他路徑(如CDEF)到達。

我們回到一維空間看這個問題,假如有人站在AB點中間,A點有一隻小狗,小狗沿著二維空間的C線到達了B點,這個人會嚇傻了,因為他看到的會是小狗從A點消失了,然後到達了B點,實現了空間上的穿越。

判斷一個空間是否維度更高,就是看這個空間能否較低維空間實現穿越。

三維

理解了一維空間到二維空間的變化,就可以理解二維空間到三維空間的變化。三維空間無非就是在平面上加了一個高的概念,在二維空間物體只能貼著平面運動,到了三維空間就可以跳了。

三維空間是我們生活的空間,大家不用想象就能理解。

四維

四維空間相對於三維空間,又多了一個維度,但這個維度不可能是時間、溫度、密度等等我們日常生活中使用的尺度,因為我們通過這些都不能實現在三維空間的穿越。

想象一個,一個人可能沿著時間從你背後消失,到達你面前嗎?這是不可能的。

四維空間是在三維空間的基礎上,又開闢了一條路徑,可以繞過我們熟悉的三維空間,實現在三維空間的不連續移動。

我幫大家描繪一種場景來理解這個問題:平時大家上班,可以選擇步行、公交、開車等方式。突然有一天打開門的時候,發現門外是一個完全沒有見過的地方,你出後們走了幾步到達另一個門,一打開門發現是單位。你並沒有在原來的世界中移動,而是通過一個新的空間,實現了在三維世界中家到單位的轉移。

你生活的三維世界,加上那個完全沒見過的地方,就是四維空間。


首席投資官


大家有沒想過,我們所處的宇宙,其實是一個多維宇宙。

但可惜的是人類僅僅只是三維生物。

所以在我們的認知中,世界是以三維的形式呈現的 —— 一個只能用長、寬、高來測量實體的世界。

三維世界中,一個空間只存在三條相互垂直的線 x,y,z

而在四維空間中,卻存在著四條可以相互垂直的線 x,y,z,t

而在四維,甚至更高維度生物眼中,除了長、寬、高之外,時間也有可能是具象的。

就跟《 星際穿越 》中所描述的一樣,時間對於它們來說可能就是一座山,可以爬上爬下。

在物理的四維時空中,時間是除長、寬、高以外的第四個維度。

而在數學的四維空間中,第四個維度是未知的,可能是時間,也可能不是。

不管是哪個維度的實體,其實都有可能被我們所觀察到,那當我們( 三維生物 )看到四維的物體時,眼前會是怎樣的畫面呢?

首先,我們先來理解一下維度。

一個點,因為沒有方向,沒有大小,所以它是零維的。

但要是空間如果同時出現了兩個點,這時候它們就有了固定的指向,從點 A 到點 B 是有距離( 也就是長度 )的。

長度作為維度,就使得線成為了一維物。

兩線確定一個面,此時,面不僅有了長度,還有了寬度,所有它是二維的。

但不管在一個面上,是畫個人還是畫坨屎,它都只存在於平面上,沒有厚度,一旦賦予了它厚度,它就變得立體起來。

長度、寬度、厚度,構成了我們所在的三維世界。

在藝術家 M.C Escher 的畫中,

二維的蜥蜴正試圖變為三維實體,逃出畫面

目前為止,從零維到三維的世界,我們都很好理解,因為高維生物能全面的、完整的觀察到低維世界。

人類甚至不能在一個空間內對同等維度的物體進行完整觀察,這就是為什麼我們並不能透視。。。看不到牆壁背後的東西。

但接下來的四維可能就有些抽象了。

我們只有三維認知,而沒有對更高維度的直覺。

所以四維物體呈現在我們眼前時,不管我們怎麼看,對它的認識也只能是三維的,如果想要直觀全面的看到它,甚至只能通過二維的圖像。

而如果我們想要看到它的每個面、每個角、每個點,只能不停的變化它的角度,也就是說一次只能看到這個高緯度物體的一部分。

四維物體的三維世界中的橫切呈現

試想一下二維世界的生物如何看到三維世界物體,可能對理解會有些幫助。

假設一個紙片人,想看看人類世界( 三維世界 )的球體長什麼樣,它眼裡出現的畫面是什麼樣的呢?

當然是球體的截面。

三維物體在二維生物眼裡,只是一個截面。

紙片人通過橫切面展示法看到的球體,

會是一條從短變長,再從長變短的線

對,這個時候,限制我們想象的不是貧窮,而是維度。。。

在四維空間向量中,第四個維度( 有可能任何無法我們目前無法測量的東西,你要說是一種意識也不是不可以 )是未知的,所以四維物體哪怕一個面一個面被展示在我們眼前,仍然很抽象。

四維超立方體球形投影后的模樣:

不過,要是我們把第四個維度假設為我們熟悉的時間,也就是物理四維時空,就比較好觀察了。

如果說,我們把一個人的靜止狀態,看做是是三維世界裡的一個物體。

那加上時間這第四個向量,它就變為了四維生物,把它被逐步呈現,我們看到的四維萌妹就會是這個樣子。

當然,當我們想要以上帝視角去看,甚至去想象這個不停變換的四維萌妹,在靜止狀態的全貌是什麼樣子時。。。

你能想象一個個體在 3 歲時,同時也是 70 歲嗎?它能長什麼鬼樣兒?

emmmm,是不是大腦一片空白?

我是誰,我在哪兒,我在幹什麼,忽然一下子就哲 ♂ 學了呢

在偌大的宇宙裡,人類是如此的渺小,很多現象我們沒有辦法解釋,甚至沒有辦法想象。

也許整個銀河系,也不過是外星人手裡的一顆棋子罷了。。。

但這並不表示未知不存在,別忘了我們還有科學、科技,通過它們我們正在離未知越來越近。


差評


我們所生活的空間是三維的,所以我們無法想象出包括四維在內的更高維度空間究竟是怎樣的。但我們可以通過低維空間的類比,來推測四維空間的結構。

零維空間是一個沒有大小和維度的點,它代表著空無。但為了說明方便,我們通常會畫出一個有大小的點。

通過無數的點連成一條直線,這就是一維空間。在只有一個維度的一維空間中,只有長度的概念。

如果把無數的一維空間在一個平面中聚集起來,這就得到了二維空間。在擁有兩個維度的二維空間中,將會有長度和寬度的概念。

如果把無數的二維空間在一個立體中聚集起來,這就得到了三維空間。由於三維空間包含三個維度,所以就有了長度、寬度和高度的概念,這就是我們對這個世界的認知。

同樣地,如果把無數的三維空間在一個超立方體中聚集起來,這就是四維空間。但我們生活在三維空間中,無法知道四維空間比三維空間多出了怎樣的維度。

事實上,生活在三維空間中的我們只會看到三維物體的一系列二維截面,然後大腦再想象出三維的物體。也就是說,我們無法直接看到三維的圖像,至於四維圖像就更不可能了。

可以想象,如果我們是四維生物,我們可以從另一個維度直接看到三維生物所認為的“裡面”,這意味著高維生命可以透視低維生命。這就好比“二維紙片人”無法看到裡面,但生活在三維空間中的我們會從另外一個維度看到二維的“裡面”。


火星一號


對於我們人類來說,立體的直角座標系已經可以基本的代表三維空間,那麼不難發現只要是能被你想象出來的某一個位置,一個點,我們都可以把它用三維的座標系來加以表示。
現在你再想想,如果要在xyz三條軸上,加入一條來自第四維的軸,不管它叫做什麼,該要往哪兒加?如何讓它跟剛才提到的xyz三軸同時垂直?

是的,這個在我們的想象力範圍內可以說是很難做到,由於無法感受,對於我們人類來說,只有通過“對2維空間和狀態的感知”來感知“4維空間對3維空間和狀態的感知”。
那麼可以這麼說,可以說在2維空間裡的一切細節,對3維都是完全開放的,完完全全的開放,在某一個影像,或者說某一個畫面被人類看見的時候,其實已經是一個單純的平面了。而之所以我們還能感受到它的立體,僅僅是由於雙眼攝入後大腦進行處理,最終展現的結果。這樣的結果可能呈現真實,也可能騙過我們的雙眼。那麼可以清楚的看出,2維以內看2維,只能看到點和線。就這樣的點和線的感知,都要經過我們的經驗和假設,倒推和理解。
同理可知,若要從4維裡強行看3維,可以看到3維空間裡的所有細節。
可能也有過4維物體跟3維空間有過交錯,但我們卻無法感受。
人類對事物的認知價值觀,雖然總體在交錯,但畢竟基礎還是唯物的,我們長久以來,甚至長久到人類歷史以來,接受到的思想教育也是完全唯物的,所以在我們直觀感受不到4維空間,無法用2維空間去理解4維空間的當下,也理所當然的無法想象到4維的空間。

超級王登科


原因很簡單,就是因為我們是三維空間物種,所以想象不出所謂的四維空間。又或者所謂的四維空間根本不存在!

我們通常所說的維度應該是這樣的,零維就是一個點,一維是走無數點組成的線,二維是由無數線組成的面,三維是由無數面組成的體,包括長寬高!

也可以這樣理解,低一級的維度都是高維度的投影,比如我們熟悉的三維空間投影就是一個面,二維空間!

還有一種理解方式,找到一個垂直於三位空間的長寬高的軸線,就形成了四維空間!

那麼按照這種理解方法,四維空間應該是由無數個體(三維空間)組成,而且三維空間是四維空間的投影。

但在我們熟悉的三維空間裡,無論如何你都找不到一條垂直於長寬高的另外一條線(維度)。也就是說,這條線是人們假想的線,假設它存在,但它到底存不存在我們並不確定!

有很多人說三維空間裡的我們可以操縱二維空間裡的一切,能看到那裡的一切,但事實上二維空間真的存在嗎?當很多人堅定二維空間肯定存在時,認為我們可以看到那裡的一切,結果我們看到了嗎?

不要說更高的維度四維度空間了,如果連我們已經非常理解的二維度空間都找不到的話,我們又有什麼理由去尋找所謂的四維度空間呢?起碼迄今為止我們沒有發現任何二維度空間的生命!

所以說,不管是二維還是四維,更可能只是數學上的概念,現實中只有三維,然後加上時間這個維度!

以上僅是個人想法和觀點,歡迎與大家一起探討!


宇宙探索


讓你想象一顆樹、一隻貓、一隻狗,這確實很容易,即便再難一點,這顆樹長著紫色的葉子,分了三個枝杈,同樣我還能想象出來,但是如果你讓我想象,樹的葉子顏色很特殊,不像綠,不像紫,不像任何一種已知的顏色,而且樹的形狀也奇形怪狀。

這讓我想象,是真的想不出來了。

三維空間挺好想象的,我們都生活在其中,而我對於高維空間的想象,則全部來源於科幻小說或者科幻電影中,我對數學上的線性代數、幾何並不是有點兒清楚。

零維、一維、二維、三維,這幾個低維很容易理解,但攀升到四維之後,就難了,因為有一條維度是人類看不到的,也是從未見到過的。

愛因斯坦曾認為咱們的宇宙就是四維的宇宙,在我們所認知的三維空間之上還有個時間維度,即時空就是我們的宇宙。

在《三體》中有過人類進入四維空間的描述,是非常震撼的,原本在三維世界中存在著物體的遮擋與封閉,但是在四維空間中一切都不存在了,甚至可以看清楚身體的每一個器官與血液流動。

我覺得,在四維或者高維空間中,任何低維事物闖進去,將不可避免的遭受巨大信息量的衝擊,因為高維的世界包含了低維的一切。

在四維空間中,有可能連物理定律都與三維不同,無論是物質的基本組成還是電磁波傳播的速度。

在四維空間中可以抵達三維空間中任一點,如果說二維事物抵達三維看起來就像是一個扁片的話,那麼同樣的,三維事物抵達四維,也就像是一個“扁片”。


一枚遊戲科幻迷


為什麼人類想象不出四維的空間?

人類對於維度總是百般好奇,總覺得我們周圍有更高的維度...比如總覺得有平行世界、或者另一個維度生活著外星人、或者認為有超級文明在更高的維度觀察我們....因為未知與疑慮,所以我們總有一種迫害妄想症!當然也不能說人類想象不出四維空間,因為我們無法從更高的維度觀測我們這個三維世界,因此要完整的想象出四維空間的結構是很難的。

這是從0維到四維的三維投影,從左側0維到3維理解起來應該沒有問題,因為自身的維度和比我們低的維度都能夠觀測到,比如下圖的魔比斯環:

不用回頭就能走遍正反兩面,如果對於二維生物(如果有的話)肯定是難以理解的,因為這是它們本身的侷限,而我們三維空間中則能完整看到他們在魔比斯環上繞的圈圈!

比如上圖的克萊因瓶,如果有人在我們的三維空間中製造出這樣一個獨立空間的話,相信各位肯定覺得是活見鬼了,其實這和魔比斯環是一樣的,我們能看到他們的“鬼”,但卻見不到我們空間的結構已經改變了!

這是一個四維在三維中展開的GIF圖,當然這只是我們對於四維空間的認識,即使用GIF表現也只是四維在三維空間中的投影而已,僅僅輔助理解,但四維空間到底是個什麼樣的空間,我們在三維中能想象出它們是包裹在我們三維空間外部的一個空間,而這個包裹是無孔不入的,也就是說包括我們的身體和內部構造和我們所有的建築與裝置,只能四維空間的觀察者想看到就能看到,無論你用什麼阻隔,對於更高維度的觀察者來說就是透明的,而且來去無阻!

當然這僅僅是我們的理解而已,是否正確無法證明,或者有待於未來對於空間理解透徹之後的驗證,也許線索就藏在遙遠宇宙空間的暗物質和暗能量中!


星辰大海路上的種花家


其實很好理解,二維和一維的關係,一維A點要想到達B點,只能按著唯一的一條線連接才能到達,而加入2二維後,AB兩點可以離開一維限制可以連接;加入三維後,AB兩點可以離開二維平面,能夠連接;加入四維後,AB兩點可以離開三維,然後連接。比如一個人在地球上,想到月球上面,一維是按著唯一的一條線前行,中途不可以前後左右移動;二維的做法是可以上下移動,不可以左右移動,三維的做法可以前後左右上下移動,四維的做法不需要移動,直接跳開一二三維的限制,直接跨一腳就到月球上,也許有五維,那麼五維的做法是,想到多少年前或者多少年後的月球都可以,不存在任何障礙,比如第一腳在地球上,第二腳在現在的月球上,第三腳在30億年前的月球上,第四腳在50億年後的月球上,第五腳又在其它星球上面。總之,到了五維就沒有時空概念了


風吹衣袖月上西樓


根據我們平時對於一維二維三維的理解,在幾何學上來說,可以定義為線、面、空間。在一個維度空間裡,你能做出幾條正交的直線,那麼,這個空間就屬於幾維空間。三維及其以下的空間就算是天生的盲人,都可以很直觀的想象到的。

如上所述,四維空間理論上是在我們能想象到的前後、左右、上下的三維空間上,在加上另外一個維度,目前比較認可的是時間維度,但是也可以是其他,不如說溫度、色度或者是聲音。但是我們的大腦卻想象不出來,因為我們永遠不能在三條正交的直線中加上一條垂直於三條直線的線。



題外:四維空間或許已經擺脫了一種相互垂直的狀態。打個比方,你可以想像一間屋子有兩個門,你從左邊的門出去卻從右邊的進來,在三維空間裡這是兩個門,但在四維空間裡卻是一個門。


宇宙的眼


這是因為低維生物,眼裡看不到高維生物,高維生物也無法理解低緯生物,要想理解,就需要先知道維空間理論,什麼是維?

維空間是90年代的超弦理論的一種,宇宙是十一維構成的,而我們所處於三維。根據理論,零維就是一個點,沒有長寬高。一維是一條線,沒有寬,沒有面積,體積。

二維就像電視上的畫面一樣,就是一個平面,只存在上下,左右不存在前後,只有面積沒有體積。



三維則又多了體積,有了前後,而我們所處的就是三維。


四維則又多了空間。


上面的圖片是根據理論,推測出來的四維,你可以試一下看看能不能找到最高點,這對於我們來說似乎是不能理解的,因為無論哪個角都是最高角,哪個也都是最低角。對於四維生物,我們更是想象不出來。





有人可能會問,為什麼我們能想象出二維,卻想不出四維空間是什麼樣?原因其實很簡單,因為我們的眼睛就像是攝像機一樣,而我們眼睛看到的畫面是二維,只不過我們的大腦,把眼睛看到的二維畫面以三維影響呈現在腦子裡。因為我們眼睛看到的就是二維畫面,所以我們能夠想象出二維。如果有興趣,你可以嘗試一下,把你眼前的事物想象成畫面,這樣你看到的就像是二維一樣,不過這僅僅是我的推測。

而我們想象不出四維的原因,和我們想象不出一維的原因一樣,因為我們無法以直接或間接的方式,看到或接觸到。


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