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解讀四維時空與四維空間,兩者到底有什麼區別?
2023/03/20

我們經常會聽到四維空間和四維時空,不少人認為兩者是一個概念,其實不然,兩者其實區別挺大的。

簡單講,四維空間是虛幻抽象的數學概念,而四維時空是真實存在的物理概念。

首先來說說四維空間。

四維空間是一個抽象的概念,只體現在數學上,不是我們現實世界存在的概念。

我們生活在三維空間,這一點很好理解,三維空間具有三個維度,分別是長寬高,這三個維度可以用數學概念進行描述。

那麼,四維空間就是擁有四個維度的空間,在三維空間的基礎上再增加一個維度,這個維度到底在哪里?該怎麼增加呢?

顯然,我們不知道這個維度到底在哪里,甚至用數學語言也很難描述,即使存在第四維度,也是生活在三維空間里的我們無法感知的。

注意,這里增加的維度并不是時間維度,而是在空間上再增加一個維度。這個新增加的空間維度到底在哪里?為什麼我感知不到?

感知不到很正常,因為人類從來不可能想象到現實中不存在的任何東西。

舉個例子,你能想象出現實中不存在的顏色嗎?或者說讓天生的盲人給你描述一下紅色?

很難做到!這就是我們試圖想象四維空間時面臨的問題。不過雖然想象不出四維空間,但我們可以用數學推理嘗試描述四維空間。

在數學概念里,零維維就是一個點,一維是一條線,二維是一個面,三維就是體,也就是我們所在的空間。

那麼四維呢?我們可以假設它是一個超立方體。那麼這個超立方體是什麼模樣呢?我們不知道,但可以用間接的方式來理解四維空間。

第一種方法,投影。一維的投影是一個點,也就是零維。二維平面的投影是一條線,也就是一維。那麼三維的投影就是一個面,也就是二維。

同理,四維空間的投影也應該是三維的一個體,這很容易想象出來。雖然這種方法仍舊不能讓我們知道四維空間到底是什麼樣子,但可以幫助我們間接理解它。

第二種方法,移動。一個點的移動就會形成一條線,也就是一維。所以零維的移動就會形成一維。

同理,一維的移動會形成二維,二維的移動會形成三維。那麼三維的移動就會形成四維空間。

第三種方法,用三維空間與二維空間的對比,來推理四維空間。如果二維空間里存在生命,那麼我們可以看到他們的一切,就像站在上帝視角俯視他們一樣,而他們根本察覺不到我們,即便是近在咫尺也不行。

同樣的道理,如果四維空間里存在生物,他們也可以看到我們的一切,包括我們的五臟六腑,因為他們是站在上帝視角看我們。想象一下在一個絕對密閉的房間里,你無論如何都出不去,但四維空間的生物可以通過你看不見的第四維度隨意進出。

四維空間就是這麼神奇,那里的生物在我們眼里,簡直就是神一般的存在。

說完了四維空間,再來看看四維時空。

其實四維時空很好理解,因為它是真實存在的物理概念,雖然也很抽象,但很容易想象出來,因為我們就生活在四維時空里。

四維時空就是在三維空間的基礎上加上一個時間維度,雖然時間很虛幻,但我們時刻都能感受到它的存在,所以比四維空間更好理解。

想象一下,如果沒有時間維度,只有三維空間,我們不可能存在的,因為那意味著萬物將不會有任何變化,而正是有了時間維度,我們才能感受到變化,才能感受到萬物都在運動。

四維時空也被稱為閔氏空間,也是愛因斯坦創建狹義相對論的基礎。按照愛因斯坦的詮釋,空間和時間是有機的整體,兩者不可分割,任何把空間和時間分開討論的做法都沒有意義。兩者組合起來就是我們通常所說的「時空」。

同時,愛因斯坦的狹義相對論強調,時空并不是絕對的,不是一成不變的,會受到速度和引力的影響。速度越快引力越強,時間就越慢

四維時空更符合我們的日常生活經驗,所以更容易被我們接受。但我們的世界里是否正好是四維時空,我們并不知道。或許有更高的維度,比如說五維時空,就像在科幻電影《星際穿越》里描述的那樣,在五維時空里,可以通過引力與四維時空的我們互動。

總之,四維空間與四維時空是完全不同的兩個概念,一個是數學,一個是物理。一個虛幻,一個現實!

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