4維空間:德國數學家真的證明了嗎?進入4維空間后會發生何事?

根據馬克思和恩格斯的理論, 我們認識這個世界都是從最簡單的規律開始的

從簡單的事物發展到復雜的事物,從單一的認知發展到綜合性系統化的認知,這些都是符合我們人類認識世界改造世界的規律。

就比如我們周圍最正常的花開花落,晝夜更替,四季的變換,生物的生殖繁衍等等。

一年四季就是最簡單的變化

這些都是有據可依的,我們根據這些最普通的現象,慢慢對這個世界有了更多的認知。

也開始從神學玄學到真正的科學之路的邁進,就像我們對這個地球的認識,也是從上帝耶穌女媧夸父,到中世紀的地心說再到后期的日心說的變化發展。

這些發展讓我們對世界和宇宙的認識更加的深入和透徹,就像現在的對于三維世界平面世界和現在探索的四維世界之間的關系。

0維是點,一維是線,二維是面,三維是體,那第四維是什麼

最初人類只能認識平面世界的關系,后期開始研究二維世界和三維世界,到了現在, 人類開始思考到底有沒有四維世界,四維世界到底存在什麼呢?

本文就將從以下幾個方面來討論這些問題:黎曼幾何和相對論有哪些聯系?它們分別是什麼?四維空間到底是什麼?進入四維空間會發生什麼?四維空間真的存在嗎?德國數學家已經證明了嗎?

奇妙的四維世界

黎曼幾何與相對論

這里對第一個問題進行闡釋:黎曼幾何和相對論有哪些聯系?它們分別是什麼?

要想回答這個問題,時間就來到了1854年, 一位名叫黎曼的德國數學家剛剛取得大學講師的職位,他在哥廷根大學所做的匯報演講名字就是「論作為幾何基礎的假設」

黎曼

這篇論文的基礎就是黎曼六年的思考匯報:在這六年里面,黎曼根據高斯對于曲面的研究和赫爾巴特的哲學思考來進行匯總和更加深入的思考, 最終得出了新的幾何理論——黎曼幾何

在黎曼幾何解釋中提到:幾何就是我們身邊非常平常的物品形狀的數學表達,這種表達的基礎就是長寬高來定義的三維世界。

黎曼幾何為廣義相對論提供了數學模型

在這個理論系統里面,世界上是不會有平行的關系的,在三維世界的平行線也會在其他或者更高級的維度中相逢。

就是說, 這個世界中的直線可以無限度地延長,但是其長度卻是有范圍的

根據這樣的設想,我們可以進一步分析三維世界,可以看做一個球體。

在這個球體中,有一條無限延長的直線,但是這個直線卻一定會返回到最初的原點,也就是說,這個直線的長度,就是這個空間球形的周長。

那麼,其實可以簡單得到,這就跟我們小學時候學的求球體的周長一樣的。

模擬的三位球體

這個計算對于我們現在來說十分的易懂,但是在黎曼那個時期卻實實在在是最新的研究發現。

并且, 二十世紀杰出的物理學家愛因斯坦提出的相對論中的廣義相對論,也和黎曼幾何有著千絲萬縷的聯系。

廣義相對論從黎曼幾何中受到啟發,否認了空間是平面的理論,認為 空間是一個曲面,在這個曲面中,包含了世界上所有的物質。

著名物理學家愛因斯坦

這些物質會存在質量,質量之和壓在這個曲面上,讓曲面變得更加凹陷,這就是我們整個世界形成的大致狀態。

所以,愛因斯坦證實了我們空間是可以扭曲的,也進一步證明了黎曼幾何的真實性。

空間可以扭曲,我們這個時空在黎曼幾何中又是一個「球體」,科學家們進一步分析認為,這個世界或許有四維空間的存在?

空間是一個曲面模擬的大致形態

四維空間到底是什麼

接下來,我們討論的第二個問題就是,四維空間到底是什麼?它和我們的三維世界又有什麼聯系和區別呢?

我們生活的地球是一個三維空間,在我們大部分人的認知中世界就應該是三維空間的樣子。

當我們拿出草稿紙畫出坐標系的時候,也很自然地畫出三條線,而不是畫出四條線來表示這個空間,那我們該如何理解四維空間呢?

坐標系

是否有看過《三體》的朋友在這個劉慈欣的小說中曾經對四維空間有過一段描述。

那是在地球將要毀滅的那一章節中,地球人坐著飛船逃離這個祖祖輩輩生存的星球,去到外太空的時候,就是使用了四維空間帶來的能量。

從那本書的描述來看四維空間與三維空間最大的不同就是我們三維空間是有內外正反之分,而四維空間并沒有內外的區別。

《三體》

任何一面都可以是內,也可以是外,但是,這對我們現有的思維來說,這樣的解釋還是太過于抽象了。

我們生活的世界就決定了我們的認知,而生活在三維空間的我們的確很難對四維空間產生共情。

簡單來說,想要更加認識四維空間,那就先來認識二維空間吧。

二維空間就是我們常說的平面,這個平面沒有厚度,也沒有高度,只有長和寬的區別。

最基礎的二維平面圖

如果三維空間來到了二維空間,又會產生什麼變化呢?

有科學家設想,當三維空間來到二維空間,就會像是一條線或者一個點突然出現在平面一樣,而這個點和線會慢慢延伸,不斷變長,并且永遠不會停止。

最終,這條線就會在二維世界里面蔓延,留在這個維度里。

那麼, 了解了三維世界到達二維世界會發生什麼,我們就能推斷出四維世界來到三維世界會發生的事情

就好像在四維空間內能夠從第四個角度看到我們身體的內部,五臟六腑全部公之于眾,好似我們的身體打開了一條口子一樣。

四維所看到的B超

人們又開始好奇,進入四維空間后人類還能夠生存嗎?

進入四維空間會發生什麼?

這里就來到了第三個問題的解釋:如果我們人類來到四維世界或者我們生存的環境變成四維世界會怎麼樣呢?這樣的四維空間已經被德國數學家證實了嗎?

用小蟲子舉例,如果一個可憐的小蟲子來到了四維世界,它的身體會立馬被撕碎, 從完整的身體變成四維的空間

可愛的糖寶被抓走做實驗啦

身體被開了口子一樣,五臟六腑被拉出來,原本擁有的皮膚和身體內部都會展開,這樣的現象實在是讓人毛骨悚然。

不僅是小蟲子,任何我們現在存在的三維世界里面的事物,甚至是我們人類,來到四維空間都會變成這個樣子。

就像被打開了一樣,環閉的身體被撕扯開,變成四個維度,那麼,這樣的四維空間真的已經被德國數學家證實了嗎?

難以想象的四維空間

讓人感到惋惜的是,目前我們的研究水平還達不到將四維空間研究透徹的地步, 我們生存的三維空間尚且還有很多沒能明白

比如,哪怕是我們朝夕相處的地球,都還有很多未解之謎沒能透徹分析,對于外太空更是有著數不盡的探索還未完成,更何況只是一個數學概念上的四維空間呢?

其實,對于科學的理論研究,科學家和數學家們還是持保留態度的,除非完全被證明,否則其他的理論都只能叫做猜測和構想。

科學家們一直在對四維空間進行研究

對于四維空間的理論就是這樣,并沒有完全被人類觀測和發現四維空間的任何生物和維度。

所以目前來說,對于四維空間的認知還停留在數學和物理層面,只能靠數學家和科學家們更多地分析和研究,才能對四維空間進行更深入的探索。

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