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四維空間是一個時空的概念。簡單來說,任何具有四維的空間都可以被稱為「四維空間」。不過,日常生活所提及的「四維空間」,大多數都是指愛因斯坦在他的《廣義相對論》和《狹義相對論》中提及的「四維時空」概念。根據愛因斯坦的概念,人們的宇宙是由時間和空間構成。時空的關係,是在空間的架構上比普通三維空間的長、寬、高三條軸外又多了一條時間軸,而這條時間的軸是一條虛數值的軸。

1 四維空間 -基本定義

(圖)四維空間四維空間

這裡說的四維空間明顯地與相對論指的四維時空不同,所謂四維時空是指三維空間與一維時間融洽而成為一個複合體,相對論認為時間和空間是分不開的,是一個整體的不同部分,這裡說的四維空間是指不含時間在內的空間,認為宇宙中除了人們熟悉的三維空間外,還有一維人們根本不知道存在的空間,它就在人們身邊,與「長」「寬」「高」一樣實實在在地存在著,可是卻極難察覺,以致以目前極為強大和極為複雜的物理實驗也未能發現。

根據愛因斯坦相對論所說:人們生活中所面對的三維空間加上時間構成所謂四維空間。由於人們在地球上所感覺到的時間很慢,所以不會明顯的感覺到四維空間的存在,但一旦登上宇宙飛船或到達宇宙之中,使本身所在參照系的速度開始變快或開始接近光速時,我們能對比的找到時間的變化。如果你在時速接近光速的飛船里航行,你的生命會比在地球上的人要長很多。這裡有一種勢場所在,物質的能量會隨著速度的改變而改變。所以時間的變化及對比是以物質的速度為參照系的。這就是時間為什麼是四維空間的要素之一的原因。

2 四維空間 -解析四維

(圖)四維空間四維空間

什麼是四維?現在的說法是三維空間加上時間這一維,構成所謂的四維空間。然而,這種說法是一擊即破的。為什麼?人們可以從二維來考慮。一個二維生物(如果有的話),他們考慮所謂的三維空間絕對和我們的三維空間不同——他們會把時間作為第三維,因為他們無法感受這一維的存在。同樣,人們現在也走進了這個誤區,把時間算做第四維。可能四維生物看到人們在宣揚這種思想時,也在為人們嘆息。那麼時間算不算一維?看來,時間應該是一維,即在多維生物本身的維度之外再加一維,構成新的N+1維空間,而且這樣也有助於幫人們解決一些問題,也可以使我們對比三維維度更高的空間加深認識。

有一個更新的構想,即所有的維度都是由時間構成,沒有時間,就沒有空間,包括最基本的一維空間。這應該好理解,因為沒有時間,空間本身的存在就沒有任何意義,因為時空本身就是不能分割的整體。那麼,為什麼一種時間可以形成不同的維度空間?這裡,人們可以把時間看成是一種可以分解的常量。時間可以分解,這一句話理解起來可能有點困難。但是,只要想通了道理也是很簡單的。要明白這個道理,首先必須了解兩點。第一是時空的不可分性,這一點估計大家都明白,離開了空間談時間,或者離開了時間談空間,都是毫無意義的。第二點是時間的多樣性,這一點了解起來可能有一點麻煩。在日常生活中,人們接觸到的都是時間的合成體,也就是各個分時間有機結合形成的一個總的時間體系。可能你們會覺得是在狡辯,其實不是。只要你們換一個角度去想,一個結果,可能是幾個不同的原因形成的。就拿運動來說,人們觀察到的一般都是幾個不同運動產生的一種運動的結合體,即合運動。關於時間,人們也可以這樣去想。人們看到的時間結合體,可以是由物體運動的時間,歷史時間(即經歷時間)和其他的一些時間構成。而運動時間,我們又可以看成由上下運動的時間,左右運動的時間和前後運動的時間。當然,劃分方法是多樣的,這就構成了時間的多樣性,至於如何去劃分,這就要由不同的情況而定。一部分時間對應一段空間。在這個不完整的空間里,時間起到了決定性的作用。

(圖)四維空間四維空間

人們之所以是三維生物,是以為這個維度的空間里只存在三維的時間。時間的不完整決定了空間的不完整。我們不能認識其他維度的空間,是因為人們不具備在那個空間裡面運動的時間。時間的多樣性決定的空間的多樣性。同時,因為時間的不同分解方式,註定了人們的三維空間也是相對的,它可以被命名為一維,二維,甚至是任意維——完全取決於不同的分解方式。時間是決定維度的關鍵,同時,它也是決定低維物體高維存在方式的關鍵。

讓人們看看科學上的說法:低維是空間上的缺陷,它們不具備在高維世界內運動的空間。關於這一點,有一個疑問,那就是人們怎麼可以發現這個缺陷。人們認為的低維不存在某一個空間長度,是因為人們無法確定它有那一個長度,也就是人們現在用最好的設備也無法觀察到那一個長度差。那麼,將來呢?人們現在無法認證,可能將來會有人證明那個低維物體確實屬於高維。因此,低維與高維並不存在所謂的空間差。那麼,人們如何區別高維與低維?很簡單,用時間。用時間去解釋任何一個緯度空間,人們也可以認為,低維之所以比高維低級,是因為它們存在時間上的缺陷,它們無法在時間範疇內感受高維的存在。所以,我們要去了解低維或者高維,先要知道它們存在的時間範圍。高維與低維之間可以實現轉化,道理是很簡單的,只要加入或者去掉一個時間單位就可以了。然而說起來很容易,做起來卻很複雜,人們對時間的概念都是如此模糊,要想在空間範圍類實現時間的轉化就更困難。

(圖)四維空間四維空間

對四維空間,一般人可能只是認為在長、寬、高的軸上,再加上一根時間軸,但對於其具體情況,大部分的人仍知之甚少。有一位專家曾打過一個比方:讓人們先假設一些生活在二維空間的扁片人,他們只有平面概念。假如要將一個二維扁片人關起來,只消用線在他四周畫一個圈即可,這樣一來,在二維空間的範圍內,他無論如何也走不出這個圈。現在人們這些生活在三維空間的人對其進行「干涉」。我們只需從第三個方向(即從表示高度的那跟軸的方向),將二維人從圈中取出,再放回二維空間的其他地方即可。對我們這些三維人而言,四維空間的情況就與上述解釋十分類似。如果人們能克服四維空間,那麼,在瞬間跨越三維空間的距離也不是不可能。

四維空間的錯誤
人們先來看下什麼是四維空間:根據愛因斯坦的概念,人們的宇宙是由時間和空間構成。時空的關係,是在空間的架構上比普通三維空間的長、寬、高三條軸外又加了一條時間軸,而這條時間的軸是一條虛數值的軸。三維空間的長、寬、高三條軸是說明在三維空間中的物體相對原點O的距離關係,僅僅是距離關係而已,無論其為正負都實存在。三維空間的長、寬、高三條軸外又加了一條時間軸,是三條距離加一時間關係,這裡就錯了,相對原點O的距離關係構造了一個正三維圖形,在三維圖形上加一個時間,就變的不倫不類,就好比往化學反應方程中加標點符號般,所以時間間軸應從空間軸中剝離出,三維空間沒錯,只不過三維空間是個靜態空間,距離關係所能構成的極限也就是三維靜態空間了。

3 四維空間 -時空是四維

(圖)四維空間四維空間

正宗的維數研究方法通常離不開人存在原理。譬如講,如果空間是兩維的,則兩維動物則不能正常消化。如果空間是四維以上,則世界就會精彩得多。如果人們是四維空間的動物,則彭加萊關於三維球的猜想則不應該是世紀難題。可惜多餘三維的空間使萬有引力和靜電力隨距離的變化比三維中更劇烈,使得小至原子核的電子,大至太陽系中的行星給到不再穩定,很快就以旋渦的方式向遠處飛離或者撞到中心上。許多人不能接受人存在原理,認為他和科學傳統相違背。科學的方法是從第一原理出發,把萬物甚至觀察者全推出來。人存在原理卻是從觀察者存在的條件把宇宙推出來,他們正好處與相反的兩級。

霍金認為宇宙的邊界條件是他沒有邊界。用卡魯查-克萊因模型論述,時空本是高維的,而人們之所以感到它是四維的,那是因為額外維都被捲去到人們無法觀察到的小尺寸去,比如普朗克尺度。正如一根頭髮的表面雖然是二維的,但是粗看之下,只剩下頭髮長度那一維一樣。人們稱感覺到的空間為外空間,覺察不到的為內空間。時間是外空間中的一維。在用量子宇宙學研究時空維數的濟起源時,必須避免人為的調節卡魯查-克萊因的總維數,以得到需要的外空間維數。因為人為的調節會陷入邏輯循環,這種做法是你想得到多少維的空間都能如願。因此,可用的卡魯查-克萊因模型其總維數必須是由第一原理推出的。十一維的超引力模型便由第一原理推出的。自然界也許存在一種所謂的超對稱。

(圖)四維空間四維空間

1980年弗隆德和魯賓發現了一個十一維超引力的非常美麗的宇宙模型,期內空間是七維球,外空間是四維球。但在經典的框架中,人們無法證明不存在具有其他維數的外時空的解。在量子宇宙學中,瞬子是宇宙創世的籽。瞬子是愛因斯塔方程和其他場方程的解,其中時間和空間坐標不能區分。十一維超引力的創生宇宙的瞬子必須是四維球和七維球空間兩個因子空間的乘積。時間若包圍在四維中,四維時空隨後便展開演化成我們生活中的並感覺到四維的宏觀宇宙,否則外時空便是七維的。在帶電荷的黑洞創生場景中,宇宙波函數要使用正確的表象,才能算出創生的概率。因為規則瞬子是非常稀罕的,所以研究一般黑洞的創生,必須引進約束引力的概念。找到正確表象不僅對於帶電荷而且對於旋轉黑洞的波函數至關重要。從同一瞬子出發,在選擇正確的表象后,時間在四維球中的創生概率遠遠大於時間在七維流形中的概率。因此,在量子宇宙學中證明了外時空必須是四維的。

4 四維空間 -物理世界

(圖)四維空間四維空間

在數學上有各種多維空間,但目前為止,人們認識的物理世界只是四維,即三維空間加一維時間。現代微觀物理學提到的高維空間是另一層意思,只有數學意義。四維時空是構成真實世界的最低維度,我們的世界恰好是四維,至於高維真實空間,至少現在人們還無法感知。在一個帖子上說過一個例子,一把尺子在三維空間里(不含時間)轉動,其長度不變,但旋轉它時,它的各坐標值均發生了變化,且坐標之間是有聯繫的。四維時空的意義就是時間是第四維坐標,它與空間坐標是有聯繫的,也就是說時空是統一的,不可分割的整體,它們是一種「此消彼長」的關係。

四維時空不僅限於此,由質能關係知,質量和能量實際是一回事,質量(或能量)並不是獨立的,而是與運動狀態相關的,比如速度越大,質量越大。在四維時空里,質量(或能量)實際是四維動量的第四維分量,動量是描述物質運動的量,因此質量與運動狀態有關就是理所當然的了。在四維時空里,動量和能量實現了統一,稱為能量動量四矢。另外在四維時空里還定義了四維速度,四維加速度,四維力,電磁場方程組的四維形式等。值得一提的是,電磁場方程組的四維形式更加完美,完全統一了電和磁,電場和磁場用一個統一的電磁場張量來描述。四維時空的物理定律比三維定律要完美的多,這說明我們的世界的確是四維的。可以說至少它比牛頓力學要完美的多。至少由它的完美性,人們不能對它妄加懷疑。

在狹義相對論中,時間與空間構成了一個不可分割的整體——四維時空,能量與動量也構成了一個不可分割的整體——四維動量。這說明自然界一些看似毫不相干的量之間可能存在深刻的聯繫。在今後論及廣義相對論時人們還會看到,時空與能量動量四矢之間也存在著深刻的聯繫。

5 四維空間 -相關事件

事件一:1960年,在神秘的百慕大海域也發生一件怪事。在眾多旁觀者面前,美國的戰鬥機被雲吞噬,就此消失。目擊者之一H.維克多回憶說:「當時我在金德雷空軍基地的人工衛星站工作。那天氣候良好,空中除了一朵雲之外,一片晴朗。「五架戰鬥機從事訓練飛行。包括我在內,很多基地人員都在觀賞天空的情況,五架戰鬥機在離海岸800米的上空衝進一朵飄浮的白雲中,拚命伸長脖子望著天空,但是它始終未再出現。「基地頓時騷動起來。控制塔的指揮自始至終都是目擊者,他也一樣沒有看到任何物體從雲中掉到海上,雷達屏幕上也顯示出本來的五架戰鬥機的影子,突然間地消失了一架,立即引起官方注意,而派出搜索隊。「搜索的範圍是基地的海岸到800公尺外的淺灘。「找了又找,連一個戰鬥機破片也沒有發現。那朵白雲吞噬了一架戰鬥機,在不知不覺中消失了……」

(圖)四維空間四維空間

事件二:1968年6月1日又出現了一件古怪的事,那天,在南美洲阿根廷首都布宜諾斯艾利斯郊外,兩輛汽車正在高速公路上行駛。一輛坐著律師畢特耳夫婦,另一輛載著他們的朋友——哥登夫婦,他們的目的地是150公裡外的麥布市。哥登夫婦一路領先,不久,汽車的暮色中到達麥布市郊,回頭往後一看,畢特耳夫婦的車子不見了,他們還以為律師車子發生了故障,進城后,他倆分頭打電話給沿途的村鎮,又派人沿高速公路搜索。

兩天過後,一無所獲,哥登夫婦只好報警。就在同一天,哥登接到墨西哥打來的長途電話,說話人竟是畢特耳律師本人。原來他們遇到了一件不可思議的奇事:當畢特耳夫婦的車子經過雪斯哥姆市后,車子前方突然白霧籠罩,不久,車身全被白霧包圍。畢特耳看錶,時間是午夜12點10分,就在這時,夫婦倆忽然昏迷過去。也不知經過多少時候,他們蘇醒過來,天色已經放亮,車子仍然在高速公路上行駛。奇怪的是,路上的風光景色,以及行人的穿戴服飾,都和阿根延不同,停車一問,真叫人大吃一驚:原來他們已在墨西哥城了!阿根延距離墨西哥最少也有6000公里,他們怎麼會把車子從阿根延開到墨西哥的呢?律師先生自己也說不出個頭緒來。畢特耳夫婦趕快打電話給阿根延駐墨西哥的領事館,要求幫忙,這時,他們兩人的錶針都停在12點10吩,而實際上,這天已是6月3日了。像這種怪事,世界上已發現過多次,所以,引起了許多科學家的注意。科學家認為:地球和某種神秘世界之間,存在著一種不可捉摸的通道。通道的兩邊是兩個不同層次的世界。研究這種現象的人,把藏在通道另一側的神秘世界,稱作「四度空間」。宇宙是無窮無盡的,在浩瀚無涯的宇宙中,還蘊藏著無數的秘密。科學家們對「四度空間」深入探索將會揭開這「神秘世界」之謎。所謂「四度空間」的奧秘,必定在不久的將來被人類所認識。

6 四維空間 -相關資料

一維是指一條有原點的直線,如數軸之類,意思是定下原點后,就可以用一個數字錶示位置;二維是指一個平面,需要用垂直相交的軸來定位,通過兩個數字錶示位置;三維類推就是三個數字啦,就好像立體空間;四維通常指的是在三維立體空間上加上時間軸,用某時間點上的三維數字標誌位置狀態,我們應該是在四維空間中的;五維就是動態的空間叫「速度」;六維是因動產生摩擦而生「溫度」;七維是因溫度產生熱至爆炸而生「電」。

科學家們認為,現在宇宙學家將時間看作第四維,而第五維指的是能量無界限。根據科學家的假設,宇宙是平坦的,而這就有可能作時光旅行。

7 四維空間 -【多維空間】

  如果問一個知道初速和質量的炮彈在空間中的運動軌跡,這沒法回答,因為除了3維空間,還有兩個因素,在運動中起主要作用:引力和阻力。這個空間是在地球上還是月球上,將有不同結論。使得結論比較準確的方法是用5維來描述空間。

   同理,溫度、壓力、密度等等,很多因素都可成為影響科學結論的一維來影響空間。則綜合作用下的空間,就是多維空間。而不僅僅限於時間加空間的4維。

   現代物理學界公認的理論是八維空間,分為X維(物體的長)、Y維(物體的寬)、Z維(物體的高)、時間維、重力維、電磁力維、萬有引力維、萬有斥力維。這一理論由德國物理學家巴克哈德 海姆於1957年創立。這與我們今天認識的多維空間比較接近了,也是實驗可以證實的,而不是弦理論提出的一些不可證實的空間,但其局限性是顯而易見的,科學又進步了。

8 四維空間 -參考資料

[1] 博客網 http://yanlei23.bokee.com/
[2] UFO網 http://www.163ufo.com/onews.asp?id=204
[3] 雅虎 http://xk.cn.yahoo.com/articles/080127/1/8cot.html
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