【科普向】了解多维空间——让我们一起来体验高维度的世界吧

写在前面

维度是一个非常有意思的概念，我们都知道一维成线，二维成面，三维成体（或者说三个维度分别对应长、宽、高）。一切我们熟知的事物全部都约束在这三个维度之中，但世界真的就是由三维空间构成的吗？是否还存在四维、五维甚至更高的维度呢？

按照数学中的定义，维度就是线性空间中彼此线性无关的向量，也就是说他们不能相互表示，但并没有规定他们数量的上限，所以完全有可能存在第四维乃至更高维。直至1995年，科学家们通过超弦理论成功预测出了宇宙共存在11个维度。

对于这些三维之外的维度究竟是什么，人们也是众说纷纭。基于爱因斯坦的相对论，主流的观点是认为时间作为第四维，与三个空间维构成四维时空。这样说来，我们其实就是处于这样的一个四维时空当中。但为什么我们仍然只是一种三维生物，其原因在于时间这个维度并不像另外三个空间维，我们不能如走路一样到任意的一个时间点去，时间对我们来说是恒定向前流动的，所以真正的四维生物应该可以穿行于时间之中，或许四维生物的时间旅行，就像我们在大街上走路一样平常，那样的生活是我们难以想象的。

类比空间维，如果我们再增加一个时间维度，那么每一个人都会同时经历无数个时间线，也就是同时具有无数种选择，无数个可能。举个例子，一个人选择成为老师，那么无论他在一生中的任何一个阶段，都无法避开他成为老师的这个事实，但如果时间有两个维度的话，在这个时间线里他成为了老师，但可能在同时的另一个时间线中他却成了医生，在无数个时间线中他会同时经历无数种人生。接下来就是脑洞大开的一些想法，第六维将五维无数个孤立的时间线连接在一起，七维是在无数个时间点的基础上再产生无数个时间线，八维会产生无数个平行的宇宙，那里的物理规律将与我们完全不同，然后九维将这些平行世界连接起来，十维基本上囊括了一切的可能性，而十一维即是一切的一切，看起来更像是一个点，也就是零维。

但可惜的是除了我们能感受到的三个空间维和一个时间维之外，就像一张纸虽然它确实是一个三维物体，但从远处看就像一个二维平面。其他的维度虽然存在，，但都蜷曲成很小的一个圈，在大尺度的空间中难以察觉。

当然，以上是基于高维是时间维的假设，但如果额外的维度是空间维呢？很可惜，作为一种三维生物，我们无法想象出四维空间（区别前面提到的四维时空）的真正样子，所以我将通过一维、二维和三维的特点，来类比推出四维空间的一点性质。想知道三维如何升到四维，不妨先看看一维是怎么变成二维的。一维升到二维有两种方式，一是二维可以看作无限个一维的累加，一个面可以看作由无数条线组成，因此四维空间应该也是无数个三维空间的叠加：二是通过翘曲，一条直线只是一维的，但将这条直线向其他方向弯曲，变成一条曲线，它就具有了两个维度，同理一个平面弯曲成一个曲面就变成了三维物体，一个立方体“弯曲”就变成了一个四维物体：超立方体，但这种弯曲的方向并不存在于三维空间中，为了让读者更好理解，可以试着去想象一个立方体橡皮泥，我们将它拉伸弯折，尝试将它的整个正面和背面相连，整个左面与右面相连，上面与下面相连，注意拉伸的部分也要连接在一起，这样我们就得到了一个理想化的四维物体。但可惜的是处于三维空间内的我们实际上无法想象出这样的四维物体，因为要做到这点，我们需要找到除上下左右前后之外的方向，而这对于我们来说是不可能的。

假如我们真的遇到了四维的物体/生物，它将是什么样的呢？不如我们先降一个维度，看看二维生物看三维物体会是什么样的，对于二维生物来说，他们只能看到我们的其中一个二维切片，样子大概像是核磁共振成像，这样的图像可能是不连续的，我们去观察四维物体时大概也是这个样子，我们只会看到他的一个不连续的切片，并且这些碎片会以一种我们无法理解的方式相互作用，而实际上他在第四个维度上看还是完整的。反过来，我们看二维物体时，就像是在看一幅画，那么处于四维观察者也可以轻松得看到我们的完整信息，对他们来说，我们的内脏可能与皮肤一样暴露在观察者的眼里。还有一个比较重要的问题就是高维物体是否可以作用与低维物体上面，或者低维物体能否对高维物体产生影响，我的观点是很难，毕竟低维物体看到的高维物体不过只是一个投影，而因为无数个低维空间才能组成高维空间，低维物体几乎在高维空间中不占有“体积”，也谈不上构成影响。

一点思考

讲了这么多有关时间与空间的事，不妨思考一下，有没有可能第四维既不是时间，也不是空间。开篇我们曾提到维度不过是一组线性无关的向量，既然如此，那么能够用来描述宇宙的参数是不是都可能作为一个维度呢？当然，这种说法的正确性很难定夺，不过也正为我们留出了想象和思考的空间。

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文/ origin

责编/ 同儿睡不着。

审核/ M.韦伯

图/ 网络

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