标准欧几里得空间 什么是「四维空间」,如何通俗理解?它与「四维时空」有何联系与不同?( 二 )


标准欧几里得空间 什么是「四维空间」,如何通俗理解?它与「四维时空」有何联系与不同?

文章插图
爱因斯坦把时间作为第4维 。可看成一个特例 。因为时间维度和空间维度最大的不同是 。时间是一个单向的维度 。但爱因斯坦将时间作为第4维 。引入了物理学界 。让后面的物理学理论发展看到了一个新的方向 。
不少人发现在引入高维空间后 。自然定律可以被描述得更加简单 。而且之前认为不可相容的理论可以合并 。并通过几何学的方式加以解释 。
最早看到这一点的人 。是一个叫卡鲁扎的不知名数学家 。他利用第5维统一了爱因斯坦场方程和麦克斯韦场方程 。后来被完善成为卡鲁扎-克莱茵理论 。然后弦理论运用26维空间 。统一了基于量子力学发展起来的“标准模型”和爱因斯坦相对论 。
标准欧几里得空间 什么是「四维空间」,如何通俗理解?它与「四维时空」有何联系与不同?

文章插图
总结
数学是工具 。可以不管现实 。物理是自然科学 。利用数学这个“工具”我们可以更有效的研究自然科学 。数学可以服务于自然科学 。数学可以发展在自然科学前面 。当人类不停的发明各种数学工具后 。自然科学可以慢慢挑选对自己有用的工具 。
科学的力量是无穷无尽的 。有一些人对鬼神和四维空间持相反意见 。毕竟我们从未见过 。也无法摸透 。更没有证据 。因此我们还要保持批判的眼光去看 。这些仅仅是科学猜想 。
标准欧几里得空间 什么是「四维空间」,如何通俗理解?它与「四维时空」有何联系与不同?

文章插图
参考文献
宇宙探索 。四维空间是什么样的?与三维空间的区别在哪里?
其他观点:
很多人都没有搞清楚四维空间和思维时空的概念差别 。
一个非常快速的回答是:
四维维空间是一个数学概念;
四维时空是一个物理概念 。
它们之间的一个通俗的联系是 。物理上利用了四维空间的数学原理来研究四维时空 。
理解四维空间
首先说 。四维空间是一个数学概念 。不是我们现在所了解的物理现实 。
数学上的二维空间和三维空间也都是一样 。我们只是利用了这些概念来描述我们的物理世界 。确切地说 。我们的宇宙不是数学上的三维空间 。也不是四维空间 。我们的宇宙仅仅是具有三维空间或者四维空间的某些特性 。因此我们用数学上的这些概念来理解和描述我们的宇宙 。
从逻辑上说 。四维空间是具有4个空间维度的空间 。而以我们的科研结论来说 。我们的世界中只有3个空间维度:高度、宽度和深度 。显然 。我们的空间是三维空间 。当然我们可以通过三维空间来类推四维空间的一些现象 。但显然四维空间具有三维空间的生物无法感知的一个额外维度 。因此 。可以将四维空间定义为具有高度、宽度、长度加上一个跟着这三个维度完全相同性质的另一个“额外维度” 。
标准欧几里得空间 什么是「四维空间」,如何通俗理解?它与「四维时空」有何联系与不同?

文章插图
上图:四维超立方体在时间上的投影就是这个样子(在四维时空中表现四维超立方体的方式 。每一帧都是一个投影 。每个投影在三维空间可以做出实物来 。并通过透视画法在二维空间表现出来——如你现在看到的) 。但实际上四维超立方体不是运动的 。它投影在时间上才是运动的(这是我们直观观察四维超立方体的一个方式而已) 。不运动的那个版本 。只能根据各自智商自行脑补了 。
空间的第四维度是一个很难把握的概念 。这不是我们将讨论的四维时空的时间这个第四维度 。而是另一个空间维度 。
为了感受想象具有第四个空间维度的世界有多么困难 。让我们举一些例子来体会一下:
想象一下某种不存在的颜色;
尝试提出一种方法向盲人描述蓝色等颜色的外观 。
——不容易吧?
当我们尝试想象空间的第四维时 。我们也会遇到完全相同的问题 。即使对于我们这些拥有最强大视觉想象力的人类来说 。即便试图描绘一个三维物体在三维世界中的外观也是困难的 。
但数学推理可以在这方面为我们提供一些帮助 。您会看到 。对于数学家来说 。第四维可以使用代数四维空间内的坐标几何和矢量来表示 。
从这个意义上说 。利用坐标和袋代数 。我们采用与其他三个维度完全相同的逻辑处理方式来处理第四个维度 。就可以对四维空间的各种特性进行计算推理 。但这并不能帮助我们获得四维空间的直觉理解 。
解释这种难以捉摸的维度的最有效方法之一是使用一系列超多维数据集 。从第零维开始一直到第四维 。

推荐阅读