德国数学家证明4维空间真实存在,进入4维空间后人会变成啥?

浏览:3516   发布时间: 08月29日

前言

人类对世界的认识,主要是通过观察世界然后总结规律,最终得出结论。比如我们看到太阳每天从东边升起,然后我们就可以认为未来的每一天太阳都会从东边升起,于是我们就可以在早上望向东边等待欣赏日出的美景。

一直以来这种先观察然后总结出规律的方法都为人类的进步提供了最主要的帮助。但是只靠观察还是会有很多限制,因为有很多事情是我们不能轻易观测到的。

比如微生物的存在,在显微镜被发明出来之前,人们一直以外是水中藏有恶魔,因此才会让人喝了就生病,之后显微镜的出现才让谜底揭晓。

显微镜下的维生物

大概从十五世纪左右开始,我们就开始需要借助工具来帮助自己观测世界,然后总结出更加深奥的规律。

再往后,人类就需要通过数学进行推断研究,然后以此为基础研究自然界中更深一层的规律。比如日心说出现后,太阳系中有许多行星实际上都是通过计算发现的,当时的科学家们根本没有足够强大的天文望远镜观测太阳系的环境。

但是他们通过计算天上行星的运动轨迹,最终得出太阳周围有哪些是行星,有哪些是更遥远的恒星。

计算行星运动轨迹

直到现在,数学依旧是多门学科研究的基础,比如著名广义相对论中的关于空间的定义,就是根据德国数学家黎曼提出的黎曼几何来设定的。这个神奇的黎曼几何也是世界上第一个建议以四维和更高纬度定义物理空间的数学理论。

黎曼几何和四维空间

1854年,刚刚获得博士学位才三年的德国数学家伯恩哈德·黎曼为了取得讲师的职位,在哥廷根大学进行演讲,演讲的主题就是“论作为几何基础的假设”,这次演讲正是黎曼几何的前身。

这次演讲的中心内容,是黎曼思考了六年的知识汇总,他根据数学家高斯对曲面的研究成果和赫尔巴特的哲学思想,总结出一个重新定义的几何系统。

黎曼几何模型

在我们的世界中,几何其实就是身边物品状态的数学表达方式,它的基础其实就是简单地的长宽高三维世界。而在黎曼的设想中,他认为数学不应该受限于现实的状态,没有谁规定这个世界的纬度只有三个。

在黎曼几何中,这个世界是不会有平行线的,因为在三维世界的平行线也一定会在更高的纬度中相交,除此以外这个世界中的直线可以无限延伸,但是这个直线的长度却是有限的。

因为在黎曼设想的世界中,三维空间其实就是一个球,在三维空间中一直延伸的直线,最终一定会重新返回到起点,因此这所有直线的长度就等于空间球体的周长。

黎曼球面

而著名的广义相对论,正是以黎曼几何为基础设想现实生活中物质与空间的关系。爱因斯坦受到黎曼的启发,认为空间不是平的,而是一个曲面,所以拥有庞大质量的物质可以将宇宙中的空间压成一个凹陷下去的曲面,这就类似于一个将一个玻璃球放在绷直的保鲜膜上一样,保鲜膜会凹陷下去。

物质之间的引力,也是因为空间的扭曲导致轻的物体往重的物体掉落,道理很简单,重的物体能让空间扭曲的程度更加厉害,造成一个更加陡峭的坡度,所以其他的物体都会向其靠拢。

但是由于在宇宙中所有物体本身都会有一个自带的初速度,在这个速度的作用下,轻的物体不会直接掉落到重物之上,而是会围绕着重物旋转,一圈又一圈后,直到初速度被消耗光了,才会掉落到重物之上。

爱因斯坦和空间扭曲

这个空间的扭曲,是我们可以在太空中观测到的,最常见的就是地球围绕太阳转,不然无法解释这种现象,太阳毕竟没有用绳子牵住地球将它甩得转起来,在物理的世界中,任何现象都必然会有其原因。

爱因斯坦的相对论证明了空间的扭曲,也证明的黎曼几何的正确性,所以我们可以根据数学进行推论,这个世界很有可能是存在第四个纬度的。

但问题是,人类作为三维生物,我们无法观测和感受到四维空间的存在,甚至我们都无法真正想象到四维空间是什么样子的。一个点上有四根线相互垂直的空间,就是四维空间,拿出我们的三维坐标图,相信大家想破脑子也想不出如何画出第四根相互垂直的线。

三维坐标系

如何认识四维空间

在著名科幻小说《三体》中,就曾描述过四维空间的存在,乘坐飞船逃离地球的人类,正是借助四维空间的力量,进入到坚不可摧的三体水滴探测器,从内部将其破坏。

由此可见,四维空间相比于三维空间最大的区别,其实就是没有内外之分。但是我们是无法想象出一个没有内外之分的世界长什么样的,人类的想象其实都是基于现实发散思维的,现实中完全不存在的东西,也就难以进行描绘。

因此要想认识四维空间,我们必须借助一点工具——二维空间。如果让大家想象二维空间肯定很简单,因为我们都曾亲眼见到过二维空间——一幅画。

三维生物看二维画

首先假设我们是一个二维生物,那么这个世界中的我们将会失去身高,只有长和宽,二维空间生物能够看到的永远只有长短不一的线,因为我们不能看到三维空间的高度。

作为一个二维生物,我们的食物很可能是一些比较短的线或者点,将食物吃进肚子后,三维世界中的人可以看到食物如何进入到二维生物的肚子中,甚至能直接看穿二维生物的肚子,可以直接从第三个纬度中取出肚子里的食物。

如果三维空间的物体穿越二维空间,比如用一支笔插进画中。在二维世界中的我们将会看到一个点在世界中凭空出现,然后这个点渐渐扩张成线段,而且线段的长度越来越长,最后这个线段将会永久留在二维世界中。

二维线段

更为神奇的是,这个线段在不同的位置观测会显示出不一样的长度,这应该是不可能的事情,因为在二维世界中每一个线段的长度都是守恒的,它只能被分解折断,但不会凭空出现也不会时长时短。

将二维世界的现象类比到三维世界中,我们就可以大概知道四维物体出现在三维世界会怎么样了,进而能够更好的认识和理解四维空间。

首先四维空间肯定可以看到我们身体内部的食物,透过第四个纬度,我们将会失去内外,就像有一条拉链将我们打开了一样。

人体透析

其次,四维物体无法全部进入到三维空间中,它只能将物体的一部分投影到三维空间中,所以我们可以观测到的就是有一个物体在空间中凭空出现,并且时大时小,而且从不同角度看这个物体都可以得到一个不一样的结果。

而且四维物体留在三维世界的投影很可能并不是它本体的一部分,而是穿越三维世界时留下的一个洞。

所以三维物体靠近这个洞时,就有可能会从这上面掉落到四维空间中。有些科学家认为,黑洞的存在,就有可能是物质太重,将空间压穿了,所以黑洞中心将会是一个穿越到四维空间的通道。

黑洞

进入四维空间会怎样

假设黑洞真的是一个进入四维空间的通道,那么这就意味着四维空间是真实存在,而且我们也有机会前往的。人类的好奇心一定会驱动着无数人不计代价地前去一睹四维空间的“真容”。

那让我们根据上文对四维空间的认识,推理一下三维生物进入到四维空间中到底会怎么样吧。

首先我们悲观一点想,进入四维空间后,组成人类的物质会在一瞬间就死去,无论是我们的身体结构,还是组成人体的细胞,甚至是构成物质的原子粒子,都会在进入四维空间的一瞬间被强行展开成四维。

四维空间模型

我们可以想想一个圆形的二维生物,长得像个草履虫,它的内脏全在它的“肚子”中,其实就是一个圆圈包围着的一些小点。如果它进入三维空间,它将会拥有上下属性,原本被圆圈包围着的内脏,会立刻掉出来,三维生物进入到四维也会出现同样的事情。

所以如果人类要进入四维空间,首先要做一个带有四维属性的防护罩,保护自身的安全,进入之后,以人类的三维观测能力,我们其实看不到四维空间的全貌,我们只能看到连续不断的四维物体片段。

影视剧中人类进入四维空间

让我们再次拿出二维生物进行类比,在二维世界中,二维生物能够看到的就只有点和线,它们只有这个器官,所以即便进入到三维世界中,它们能够看到的就只有周围全都是长短不断变化的线条。

人类也是如此,只有通过黎曼几何等数学的帮助,将观测到的大小不断变化的三维物品进行四维组合,才能算真正观测到四维空间。

人类难以看到四维空间全貌

四维生物存在的可能性

如果更高维度是确实存在的,那么在其中产生生命也是有可能的,对于充满未知的世界,出现一些人类无法理解的现象是很正常的事情,但这个可能性与现阶段的我们,没有任何影响。

科学家们对于研究是十分严谨的,他们有一个必须遵守的准则——如无必要,莫增实体。目前为止,人类甚至没有观测到真正的四维空间和四维物体,所以考虑一个我们不确定是否存在,甚至无法很好理解的空间是否存在生命,还为时过早。

目前人类对于四维空间的探索,基本上都是停留在数学和理论层面上的。等到人类有能力开始研究四维空间的时候,这意味着我们的物理技术肯定已经出现质的飞跃。

以数学和物理为基础探索多维空间

结语

遗憾的是,现在人类连地球上的能源问题都还没能解决,甚至还走不出太阳系。三维世界中的宇宙都还没搞明白,就考虑四维空间的事情,还是太早了,因为即便理论支持,但却没有实践的能力,这是不行的。

人类未来的探索方向,应该是解决能源问题,然后借助升级的能源,造出更加强大的飞船,探索周边的恒星系,发展成能够完全利用恒星能量的星系。

至于四维空间,大多数人都相信四维空间是存在的,但并不会轻易影响到三维空间,就像我们也无法找到一个二维空间并且干涉它一样。

人类对多维空间的想象
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