四维空间真的存在的?如果人类进入四维空间会怎么样?
四维空间真的存在的?如果人类进入四维空间会怎么样?
四维空间是人类长久以来的科学幻想,它是否真实存在?如果存在,人类能否进入?本文将从数学、物理学和哲学的角度,探讨不同维度空间的特性及其与人类现实世界的关系。
许多人渴望亲历四维领域,但这一梦想似乎离我们过于遥远,我的答案是悲观的。因为四维空间并非现实存在,而仅仅是人类的虚构,是对另一个异度空间的假设性描述。这种假设无法得到证实,更谈不上亲身涉足。
众所周知,我们身处的宇宙是三维的,有时也被称作四维时空,意味着在x、y、z三个空间维度上,再叠加一个时间维度。
这是构建我们所感知的现实世界的最低维度要求。真实的世界是怎样的?正是我们眼见为实、手触为真的世界。由于我们生活在三维空间中,拥有长宽高三个维度,我们能够识别出物体的立体结构。至于其他维度的世界,它们仅存在于数学理论与幻想之中。
数学能够描述低维与高维空间,却无法确认这些空间在现实中的真实性,更无法描绘其真实面貌。例如,数学上定义零维为一个点,没有长宽高,也就是无限小的点,在现实中并不存在。
你能想象这样的空间是什么样的吗?没有空间和时间的世界又是怎样的?更不必说生活在其中的生物了。目前科学界普遍认为,宇宙大爆炸前的奇点,就类似于一个零维空间的点,但这并非我们世界的产物,而是超时空的存在,所有现代物理法则在那里都失去效力。这种失效,通俗来说,是指没有任何理论能够解释那种状态的本质和存在的形式。
在数学中,一维空间由无穷无尽的零维点构成,形成一个无限长的线,而没有宽度和高度,因此无体积可言。这种理解如何在现实中体现?即便是微小的原子、电子,它们都有自己的直径和体积。而由没有体积的点所组成的无限长线,真的能在现实世界中存在吗?即便用上人类所知的最大数字,我们能够构建出1毫米的线吗?
数学上,在纸上点一个点、画一条线,便可以说代表零维和一一维。但在现实中,真的存在这样的零维和一维吗?更何况,在一些科幻或奇幻作品中,还描绘了生活在这些维度的生物或文明,我们三维世界的居民能否真正理解这些维度的文明?
有人用二维来比喻,比如认为蚂蚁所处的空间是二维的。当人们从蚂蚁面前拿走食物,蚂蚁会认为食物消失了。但蚂蚁实际上并非二维生物,它们同样拥有长宽高,是三维生物。如果蚂蚁有视力,它们只要抬头就能看到被拿走的食物,逐渐消失在视线之外。蚂蚁的食物也是三维的,如一粒饭或一只苍蝇的腿,它们能感知到这些,说明它们属于三维生物。
理论上,二维空间由无数一维线构成,仅有长和宽,而没有高度。想象一张没有厚度的纸,就可以代表二维物体。但这个世界上没有真正的无厚度纸张,即便一张纸只有电子厚度,它仍是三维的。二维世界因为没有高度,所以没有体积。在我看来,二维世界倒不是那么难理解,影子以及电脑屏幕上的图像似乎都可以看作是无厚度的。但在极微观的层面上,影子和屏幕上的图像是否真的占据了光子级的厚度?这问题尚无定论。
三维空间,即我们生活的世界,是我们最熟悉的,但能有多少人准确描述它呢?根据维度理论,三维空间由无数二维平面堆叠而成,是加入了一个方向向量的空间体系。三维空间的xyz三个轴分别代表左右、上下、前后的运动和空间。这些方向都是相对的,没有绝对的前后左右上下。这三维轴构成了我们的立体视觉。我们的世界是三维空间加上一维时间,因此也被称为四维时空。时间轴是衡量物质运动的尺度,具有一维的不可逆性。
在四维时空中,空间和时间是物质存在的形式,空间代表物质的广延性,时间表示物质运动的持续性和顺序性。它们客观存在,不以人的意志为转移,与宇宙共存亡。空间、物质和时间相互依赖,缺一不可。比如,若无时间,何来昨日、今日和明日,以及世间万物?因此,像爱因斯坦所说,我们的世界是四维时空,这是符合客观现实的。
但谈到四维空间,它的含义就显得模糊了。它并非简单地在三维空间上加一个时间轴,而是在xyz轴上增加一个相似的轴。但这个新轴应加在哪里,如何加,无人能给出确切答案。让我们思考一下,除了已知的长宽高、上下左右前后,还有哪个方向可以添加新的一轴呢?
如今对四维空间的研究主要停留在数学层面。在几何学中,点、线、面被定义为四维、五维、六维乃至更高维度的空间。在数学公式中,这些空间似乎易于构建,但在现实中却难以实现,甚至难以想象。因为几何并不一定代表真实现象,几何空间与真实的自然空间并不等同。
一些缺乏严谨科学逻辑的幻想或科幻作品中,描绘了四维空间中,人们可以同时存在于任何时间点。例如《星际穿越》中的宇航员库柏,在黑洞文明的帮助下进入四维空间,在那里通过引力场与不同时间点的女儿交流。还有刘慈欣的《三体》中,宇航员遭遇四维空间泡泡,进入这种空间后,一切都变得透明可穿透,人可以看见自己体内的每一根血管、肠胃蠕动,可以伸手进入人体抓取心脏,任何保险箱内的螺丝都清晰可见,并且可以随意进入拿取物品。
这些幻想基于人类对二维空间的想象。假设二维空间有生物,如同前面提到的蚂蚁,它们生活在没有厚度的平面上,若在其周围画圈,它们就无法穿越。因为它们只有前后左右,没有上下,这个圈也没有上下。对它们而言,这就像三维世界的高墙,而这墙高耸入云,无法逾越。但若我们轻轻将这个二维世界的生物提起,便能将其从圈中救出。如此,我们成了二维世界的高维度外星人,它们无法理解我们的行为,正如我们无法理解四维空间生物的行为方式。
然而实际上,除了我们熟悉的三维世界,我们能否理解其他维度空间,无论是低维还是高维,我们真的能理解吗?深思之后,我们便知,这根本无法理解。例如,在二维世界,你想救出圈中的二维生物,你能做到吗?那些认为三维世界的人能轻易抓取二维世界生物的人,是将二维生物想象成了三维生物,比如蚂蚁。但若真是蚂蚁,它们需要我们去抓吗?真正的二维生物,没有厚度,你真的能抓取它们吗?只有长宽而无高度厚度的生物,除了影子和电脑屏幕上的文字,还有什么生物能这样生存?若在电脑游戏里画个圈,你能把里面的角色抓出来吗?
所以,除了三维空间,其他维度的空间只能存在于数学模型和想象中,我们无法看到或进入,即使是想象,也充满矛盾,难以自圆其说。