为什么人类想象不出四维的空间?

聚朋友之纵横中外


首席投资官评论员门宁:

人类是可以想象出四维空间的,已经有很多科普文章来介绍多维度的空间,但是大部分人仍然不理解四维空间。

我看到很多人的答案里仍然把时间作为一个空间维度,这点我是不认可的,时间与空间完全是两个概念,并不能混为一谈。大家愿意相信时间是第四个维度,只是因为时间是我们可以观察体会并计量的。因此在考虑空间维度时,第一个想要加上的就是时间。

但为什么我不认可,需要看接下来的分析。

我们衡量空间的尺度,有距离、面积、体积,这几个词刚好是用来形容一二三维空间。

一维

一维空间只是一条线,线上只可以向前和向后,这条线可以是直的,也可以是弯的,甚至可以是螺旋的,但是无论什么形状,处在这个空间上的物体只能向前或者向后移动。

比如从A点到B点,只能沿着这条虚线走完(想想一下蚊香燃烧),不可能绕过中间的线到达B点。

二维

二维空间是一个平面,是在一维空间基础上增加了一个维度,仍然是从A点运动到B点,物体运动不必局限在原来的那条线上,而是可以通过其他路径(如CDEF)到达。

我们回到一维空间看这个问题,假如有人站在AB点中间,A点有一只小狗,小狗沿着二维空间的C线到达了B点,这个人会吓傻了,因为他看到的会是小狗从A点消失了,然后到达了B点,实现了空间上的穿越。

判断一个空间是否维度更高,就是看这个空间能否较低维空间实现穿越。

三维

理解了一维空间到二维空间的变化,就可以理解二维空间到三维空间的变化。三维空间无非就是在平面上加了一个高的概念,在二维空间物体只能贴着平面运动,到了三维空间就可以跳了。

三维空间是我们生活的空间,大家不用想象就能理解。

四维

四维空间相对于三维空间,又多了一个维度,但这个维度不可能是时间、温度、密度等等我们日常生活中使用的尺度,因为我们通过这些都不能实现在三维空间的穿越。

想象一个,一个人可能沿着时间从你背后消失,到达你面前吗?这是不可能的。

四维空间是在三维空间的基础上,又开辟了一条路径,可以绕过我们熟悉的三维空间,实现在三维空间的不连续移动。

我帮大家描绘一种场景来理解这个问题:平时大家上班,可以选择步行、公交、开车等方式。突然有一天打开门的时候,发现门外是一个完全没有见过的地方,你出后们走了几步到达另一个门,一打开门发现是单位。你并没有在原来的世界中移动,而是通过一个新的空间,实现了在三维世界中家到单位的转移。

你生活的三维世界,加上那个完全没见过的地方,就是四维空间。


首席投资官


大家有没想过,我们所处的宇宙,其实是一个多维宇宙。

但可惜的是人类仅仅只是三维生物。

所以在我们的认知中,世界是以三维的形式呈现的 —— 一个只能用长、宽、高来测量实体的世界。

三维世界中,一个空间只存在三条相互垂直的线 x,y,z

而在四维空间中,却存在着四条可以相互垂直的线 x,y,z,t

而在四维,甚至更高维度生物眼中,除了长、宽、高之外,时间也有可能是具象的。

就跟《 星际穿越 》中所描述的一样,时间对于它们来说可能就是一座山,可以爬上爬下。

在物理的四维时空中,时间是除长、宽、高以外的第四个维度。

而在数学的四维空间中,第四个维度是未知的,可能是时间,也可能不是。

不管是哪个维度的实体,其实都有可能被我们所观察到,那当我们( 三维生物 )看到四维的物体时,眼前会是怎样的画面呢?

首先,我们先来理解一下维度。

一个点,因为没有方向,没有大小,所以它是零维的。

但要是空间如果同时出现了两个点,这时候它们就有了固定的指向,从点 A 到点 B 是有距离( 也就是长度 )的。

长度作为维度,就使得线成为了一维物。

两线确定一个面,此时,面不仅有了长度,还有了宽度,所有它是二维的。

但不管在一个面上,是画个人还是画坨屎,它都只存在于平面上,没有厚度,一旦赋予了它厚度,它就变得立体起来。

长度、宽度、厚度,构成了我们所在的三维世界。

在艺术家 M.C Escher 的画中,

二维的蜥蜴正试图变为三维实体,逃出画面

目前为止,从零维到三维的世界,我们都很好理解,因为高维生物能全面的、完整的观察到低维世界。

人类甚至不能在一个空间内对同等维度的物体进行完整观察,这就是为什么我们并不能透视。。。看不到墙壁背后的东西。

但接下来的四维可能就有些抽象了。

我们只有三维认知,而没有对更高维度的直觉。

所以四维物体呈现在我们眼前时,不管我们怎么看,对它的认识也只能是三维的,如果想要直观全面的看到它,甚至只能通过二维的图像。

而如果我们想要看到它的每个面、每个角、每个点,只能不停的变化它的角度,也就是说一次只能看到这个高纬度物体的一部分。

四维物体的三维世界中的横切呈现

试想一下二维世界的生物如何看到三维世界物体,可能对理解会有些帮助。

假设一个纸片人,想看看人类世界( 三维世界 )的球体长什么样,它眼里出现的画面是什么样的呢?

当然是球体的截面。

三维物体在二维生物眼里,只是一个截面。

纸片人通过横切面展示法看到的球体,

会是一条从短变长,再从长变短的线

对,这个时候,限制我们想象的不是贫穷,而是维度。。。

在四维空间向量中,第四个维度( 有可能任何无法我们目前无法测量的东西,你要说是一种意识也不是不可以 )是未知的,所以四维物体哪怕一个面一个面被展示在我们眼前,仍然很抽象。

四维超立方体球形投影后的模样:

不过,要是我们把第四个维度假设为我们熟悉的时间,也就是物理四维时空,就比较好观察了。

如果说,我们把一个人的静止状态,看做是是三维世界里的一个物体。

那加上时间这第四个向量,它就变为了四维生物,把它被逐步呈现,我们看到的四维萌妹就会是这个样子。

当然,当我们想要以上帝视角去看,甚至去想象这个不停变换的四维萌妹,在静止状态的全貌是什么样子时。。。

你能想象一个个体在 3 岁时,同时也是 70 岁吗?它能长什么鬼样儿?

emmmm,是不是大脑一片空白?

我是谁,我在哪儿,我在干什么,忽然一下子就哲 ♂ 学了呢

在偌大的宇宙里,人类是如此的渺小,很多现象我们没有办法解释,甚至没有办法想象。

也许整个银河系,也不过是外星人手里的一颗棋子罢了。。。

但这并不表示未知不存在,别忘了我们还有科学、科技,通过它们我们正在离未知越来越近。


差评


我们所生活的空间是三维的,所以我们无法想象出包括四维在内的更高维度空间究竟是怎样的。但我们可以通过低维空间的类比,来推测四维空间的结构。

零维空间是一个没有大小和维度的点,它代表着空无。但为了说明方便,我们通常会画出一个有大小的点。

通过无数的点连成一条直线,这就是一维空间。在只有一个维度的一维空间中,只有长度的概念。

如果把无数的一维空间在一个平面中聚集起来,这就得到了二维空间。在拥有两个维度的二维空间中,将会有长度和宽度的概念。

如果把无数的二维空间在一个立体中聚集起来,这就得到了三维空间。由于三维空间包含三个维度,所以就有了长度、宽度和高度的概念,这就是我们对这个世界的认知。

同样地,如果把无数的三维空间在一个超立方体中聚集起来,这就是四维空间。但我们生活在三维空间中,无法知道四维空间比三维空间多出了怎样的维度。

事实上,生活在三维空间中的我们只会看到三维物体的一系列二维截面,然后大脑再想象出三维的物体。也就是说,我们无法直接看到三维的图像,至于四维图像就更不可能了。

可以想象,如果我们是四维生物,我们可以从另一个维度直接看到三维生物所认为的“里面”,这意味着高维生命可以透视低维生命。这就好比“二维纸片人”无法看到里面,但生活在三维空间中的我们会从另外一个维度看到二维的“里面”。


火星一号


对于我们人类来说,立体的直角坐标系已经可以基本的代表三维空间,那么不难发现只要是能被你想象出来的某一个位置,一个点,我们都可以把它用三维的坐标系来加以表示。
现在你再想想,如果要在xyz三条轴上,加入一条来自第四维的轴,不管它叫做什么,该要往哪儿加?如何让它跟刚才提到的xyz三轴同时垂直?

是的,这个在我们的想象力范围内可以说是很难做到,由于无法感受,对于我们人类来说,只有通过“对2维空间和状态的感知”来感知“4维空间对3维空间和状态的感知”。
那么可以这么说,可以说在2维空间里的一切细节,对3维都是完全开放的,完完全全的开放,在某一个影像,或者说某一个画面被人类看见的时候,其实已经是一个单纯的平面了。而之所以我们还能感受到它的立体,仅仅是由于双眼摄入后大脑进行处理,最终展现的结果。这样的结果可能呈现真实,也可能骗过我们的双眼。那么可以清楚的看出,2维以内看2维,只能看到点和线。就这样的点和线的感知,都要经过我们的经验和假设,倒推和理解。
同理可知,若要从4维里强行看3维,可以看到3维空间里的所有细节。
可能也有过4维物体跟3维空间有过交错,但我们却无法感受。
人类对事物的认知价值观,虽然总体在交错,但毕竟基础还是唯物的,我们长久以来,甚至长久到人类历史以来,接受到的思想教育也是完全唯物的,所以在我们直观感受不到4维空间,无法用2维空间去理解4维空间的当下,也理所当然的无法想象到4维的空间。

超级王登科


原因很简单,就是因为我们是三维空间物种,所以想象不出所谓的四维空间。又或者所谓的四维空间根本不存在!

我们通常所说的维度应该是这样的,零维就是一个点,一维是走无数点组成的线,二维是由无数线组成的面,三维是由无数面组成的体,包括长宽高!

也可以这样理解,低一级的维度都是高维度的投影,比如我们熟悉的三维空间投影就是一个面,二维空间!

还有一种理解方式,找到一个垂直于三位空间的长宽高的轴线,就形成了四维空间!

那么按照这种理解方法,四维空间应该是由无数个体(三维空间)组成,而且三维空间是四维空间的投影。

但在我们熟悉的三维空间里,无论如何你都找不到一条垂直于长宽高的另外一条线(维度)。也就是说,这条线是人们假想的线,假设它存在,但它到底存不存在我们并不确定!

有很多人说三维空间里的我们可以操纵二维空间里的一切,能看到那里的一切,但事实上二维空间真的存在吗?当很多人坚定二维空间肯定存在时,认为我们可以看到那里的一切,结果我们看到了吗?

不要说更高的维度四维度空间了,如果连我们已经非常理解的二维度空间都找不到的话,我们又有什么理由去寻找所谓的四维度空间呢?起码迄今为止我们没有发现任何二维度空间的生命!

所以说,不管是二维还是四维,更可能只是数学上的概念,现实中只有三维,然后加上时间这个维度!

以上仅是个人想法和观点,欢迎与大家一起探讨!


宇宙探索


让你想象一颗树、一只猫、一只狗,这确实很容易,即便再难一点,这颗树长着紫色的叶子,分了三个枝杈,同样我还能想象出来,但是如果你让我想象,树的叶子颜色很特殊,不像绿,不像紫,不像任何一种已知的颜色,而且树的形状也奇形怪状。

这让我想象,是真的想不出来了。

三维空间挺好想象的,我们都生活在其中,而我对于高维空间的想象,则全部来源于科幻小说或者科幻电影中,我对数学上的线性代数、几何并不是有点儿清楚。

零维、一维、二维、三维,这几个低维很容易理解,但攀升到四维之后,就难了,因为有一条维度是人类看不到的,也是从未见到过的。

爱因斯坦曾认为咱们的宇宙就是四维的宇宙,在我们所认知的三维空间之上还有个时间维度,即时空就是我们的宇宙。

在《三体》中有过人类进入四维空间的描述,是非常震撼的,原本在三维世界中存在着物体的遮挡与封闭,但是在四维空间中一切都不存在了,甚至可以看清楚身体的每一个器官与血液流动。

我觉得,在四维或者高维空间中,任何低维事物闯进去,将不可避免的遭受巨大信息量的冲击,因为高维的世界包含了低维的一切。

在四维空间中,有可能连物理定律都与三维不同,无论是物质的基本组成还是电磁波传播的速度。

在四维空间中可以抵达三维空间中任一点,如果说二维事物抵达三维看起来就像是一个扁片的话,那么同样的,三维事物抵达四维,也就像是一个“扁片”。


一枚游戏科幻迷


为什么人类想象不出四维的空间?

人类对于维度总是百般好奇,总觉得我们周围有更高的维度...比如总觉得有平行世界、或者另一个维度生活着外星人、或者认为有超级文明在更高的维度观察我们....因为未知与疑虑,所以我们总有一种迫害妄想症!当然也不能说人类想象不出四维空间,因为我们无法从更高的维度观测我们这个三维世界,因此要完整的想象出四维空间的结构是很难的。

这是从0维到四维的三维投影,从左侧0维到3维理解起来应该没有问题,因为自身的维度和比我们低的维度都能够观测到,比如下图的魔比斯环:

不用回头就能走遍正反两面,如果对于二维生物(如果有的话)肯定是难以理解的,因为这是它们本身的局限,而我们三维空间中则能完整看到他们在魔比斯环上绕的圈圈!

比如上图的克莱因瓶,如果有人在我们的三维空间中制造出这样一个独立空间的话,相信各位肯定觉得是活见鬼了,其实这和魔比斯环是一样的,我们能看到他们的“鬼”,但却见不到我们空间的结构已经改变了!

这是一个四维在三维中展开的GIF图,当然这只是我们对于四维空间的认识,即使用GIF表现也只是四维在三维空间中的投影而已,仅仅辅助理解,但四维空间到底是个什么样的空间,我们在三维中能想象出它们是包裹在我们三维空间外部的一个空间,而这个包裹是无孔不入的,也就是说包括我们的身体和内部构造和我们所有的建筑与装置,只能四维空间的观察者想看到就能看到,无论你用什么阻隔,对于更高维度的观察者来说就是透明的,而且来去无阻!

当然这仅仅是我们的理解而已,是否正确无法证明,或者有待于未来对于空间理解透彻之后的验证,也许线索就藏在遥远宇宙空间的暗物质和暗能量中!


星辰大海路上的种花家


其实很好理解,二维和一维的关系,一维A点要想到达B点,只能按着唯一的一条线连接才能到达,而加入2二维后,AB两点可以离开一维限制可以连接;加入三维后,AB两点可以离开二维平面,能够连接;加入四维后,AB两点可以离开三维,然后连接。比如一个人在地球上,想到月球上面,一维是按着唯一的一条线前行,中途不可以前后左右移动;二维的做法是可以上下移动,不可以左右移动,三维的做法可以前后左右上下移动,四维的做法不需要移动,直接跳开一二三维的限制,直接跨一脚就到月球上,也许有五维,那么五维的做法是,想到多少年前或者多少年后的月球都可以,不存在任何障碍,比如第一脚在地球上,第二脚在现在的月球上,第三脚在30亿年前的月球上,第四脚在50亿年后的月球上,第五脚又在其它星球上面。总之,到了五维就没有时空概念了


风吹衣袖月上西楼


根据我们平时对于一维二维三维的理解,在几何学上来说,可以定义为线、面、空间。在一个维度空间里,你能做出几条正交的直线,那么,这个空间就属于几维空间。三维及其以下的空间就算是天生的盲人,都可以很直观的想象到的。

如上所述,四维空间理论上是在我们能想象到的前后、左右、上下的三维空间上,在加上另外一个维度,目前比较认可的是时间维度,但是也可以是其他,不如说温度、色度或者是声音。但是我们的大脑却想象不出来,因为我们永远不能在三条正交的直线中加上一条垂直于三条直线的线。



题外:四维空间或许已经摆脱了一种相互垂直的状态。打个比方,你可以想像一间屋子有两个门,你从左边的门出去却从右边的进来,在三维空间里这是两个门,但在四维空间里却是一个门。


宇宙的眼


这是因为低维生物,眼里看不到高维生物,高维生物也无法理解低纬生物,要想理解,就需要先知道维空间理论,什么是维?

维空间是90年代的超弦理论的一种,宇宙是十一维构成的,而我们所处于三维。根据理论,零维就是一个点,没有长宽高。一维是一条线,没有宽,没有面积,体积。

二维就像电视上的画面一样,就是一个平面,只存在上下,左右不存在前后,只有面积没有体积。



三维则又多了体积,有了前后,而我们所处的就是三维。


四维则又多了空间。


上面的图片是根据理论,推测出来的四维,你可以试一下看看能不能找到最高点,这对于我们来说似乎是不能理解的,因为无论哪个角都是最高角,哪个也都是最低角。对于四维生物,我们更是想象不出来。





有人可能会问,为什么我们能想象出二维,却想不出四维空间是什么样?原因其实很简单,因为我们的眼睛就像是摄像机一样,而我们眼睛看到的画面是二维,只不过我们的大脑,把眼睛看到的二维画面以三维影响呈现在脑子里。因为我们眼睛看到的就是二维画面,所以我们能够想象出二维。如果有兴趣,你可以尝试一下,把你眼前的事物想象成画面,这样你看到的就像是二维一样,不过这仅仅是我的推测。

而我们想象不出四维的原因,和我们想象不出一维的原因一样,因为我们无法以直接或间接的方式,看到或接触到。


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