四维空间和三维空间之间的区别是什么,分别都是什么样子?

发布网友发布时间：2022-04-27 03:56

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热心网友时间：2022-06-25 20:15

用最简单的回答就是：四维空间比三维空间装得更多。普通人，把四维空间用来装妖魔鬼怪；作家，把四维空间用来装科幻故事；而科学家，把四维空间以及高维空间，用来装这世上已发现的自然定律。

四维空间的简单定义

简单来说，过空间一点，能够形成4条相互垂直的线，这样的空间就叫做四维空间。

而就我们的日常认知来说，显然过一点只能出现三条相互垂直的线，这是因为我们生活的空间是一个三维空间。

我们无法想象，在三个维度上还会有另外有一个维度，垂直其他三个维度。

所以就目前的情况来看，四维空间是以数学推导出来的一个概念，以及其他高维空间，我们都无法确定，也无法检验。

四维空间的优势

1、因为多出了一条维度，所以四维空间会比三维空间，有更大的包容力。

打个比方来说，在一个固定面积的二维平面上面，如果放满了东西，还要继续堆东西就只能往上堆了，所以三维空间比二维空间“大”。

所以说高维空间会比低维空间，能装更多的东西。

2、高维空间预示着从一个地方到另外一个地方，有更多的运动轨迹可以走。

比如，三维空间相对于二维空间，从a点到b点，会有更多的路径可以走。而且多出来的通过第三维的路径会呈指数级增长。

所以，如果一个人可以在四维空间里面行走，他就可以在我们的世界里原地消失，然后又在另一个地方瞬间出现。

3、通过四维空间，可以将三维空间折叠，实现时空穿梭。

就像一张纸上的两个点，可以通过对折纸张而重合。所有的虫洞理论都可以通过四维空间来实现。

当然，上面的一切都只是推论，没法证实也无法证明。而且，上面这些优势，都是我们脑补的，真正的物理学上的高维空间，都是卷缩在普朗克长度（10^-35m）下的，也就是说对我们现实生活没任何影响。

四维的物体是什么样的？

最早把四维物体可视化的人，叫做辛顿。他发明了一种新的立方体：辛顿立方体，可以理解为四维物体分拆之后，在三维空间的一个投影。

1909年，《科学美国人》举办的一场名为“给四维做出正确且通俗的解释”大赛，让辛顿声名大噪！成为了世界公认的让四维物体可视化的第一人。

而且辛顿把存在于四维空间里的立方体，命名为超立方体。

而超立方体与三维空间的立方体最大的区别在于，超立方体的每一个面，都相当于一个三维立方体。

超立方体的这种形象认知，是辛顿以“线组成面，面组成体，体组成超体”的这种思路，推导出来的。

四维思想的起源

最早的四维空间认知，来源于1854年，黎曼的那一场著名的哥廷根大学就职演讲：论几何的基础。

随后黎曼几何动摇了欧几里得几何的统治地位，成为了一门风靡全球的几何学，并把开启了高维空间的概念。黎曼成为了第一认为，力是空间扭曲结果的人。

而随后，四维空间思想席卷了全球。在1910年，神秘的四维成为了家喻户晓的谈资。

四维空间以及高维空间的实际用处。

目前，除了我们生存的三维空间以外，其他的各种维度空间实际上都只是一种数学概念。

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。

所以说，目前前沿的理论物理学，几乎都是以高维空间的思想，来统一原有的自然定律。因为在三维空间里，这些自然定律无法相容，甚至矛盾，而只有把它们放在高维空间之下，利用高维空间里的超对称性，才可以把他们融合统一。

总结

可以这么说，三维空间是我生存的空间，而在三维空间里，科学家们发现了各种各样的描述自然现象的物理定律。

然后有人发现这些不同的定律，其实有些是可以合并的，也就是说可以统一来表述。为此物理学家们认为，我们世界里的所有自然定律，应该最后都能被统一成一个大一统理论。

比如，通过四维空间我们可以描述量子们神乎其神的运动状态；纷繁复杂的“标准模型”粒子们也可以在高维空间里，被统一简单描述；26维的弦理论可以推导出爱因斯坦的方程式。

所有的自然定律似乎都能在高维空间里统一。为了追寻这个大一统理论，为了让这些物理定律的描述更为简单、简洁，甚至把各种不同的理论进行统一阐述。物理学才引入了高维空间，因为只有在高维空间之下，这些物理学定律才能被更简单的描述，以及统一。