如何理解高维和低维空间,与我们世界有何区别,它们到底存在吗?
我们生活在实实在在的三维空间,但许多人好高骛远,很想看看四维空间是什么样子,但那个地方只可意会不可言传。许多人对四维空间有过描述,有的惟妙惟肖。如刘慈欣在自己的《三体》小说中,是这样描述四维空间的:各位从中想象出这个四维空间,是一种什么样的空间呢?很神奇但很难理解吧?实际上,在我们世界,根本无法描述出四维空间真实的样子,因为这个“真实”存不存在并没有人知道。也就是说,不同维度的空间,根本无法知晓另一个维度空间的样子。各种维度空间的理论描述
在数学模型中,有0维到若干维的描述。一般零维就是一个点,但这个点不是我们通常用笔在纸上点一点的那个点,零维的点是一个无限小的点,这个小小到没有直径或长宽高,可以理解为一个无体积的点,就比如我们常说的引力质点或者奇点。而用笔点一点的那个点,无论是纸张还是点的那个点,都是有面积和体积的,尽管这个体积很小,但还是有体积。
而一维空间就是一根线,这根线却不是我们通常理解的缝衣线或者用笔画的那根线,而是一个只有长度,没有粗细,也就是没有直径或者说宽和高的线,因此也是没有体积的;二维空间是一个面,就像一张纸,但却不是纸,也不是最薄最薄的膜,这个面有长和宽,却没有厚度,因此是有面积而没有体积。
零维、一维、二维对于我们生存的世界来说,属于低维空间。我们的世界属于三维空间,比二维多了一维,这一维很关键,让我们有了立体感,或者说我们看到的世界依然是平面的,但我们可以描述立体世界。为什么这么说呢?因为我们看到的物体,依然只能看到其正面,而看不到其后面,只是由于有了两只眼睛,可以看到更多不同的侧面而已;但我们有了高低概念,就可以描述出物体的立体形象。低维空间的生物如何存活?数学中描述的零维和一二维空间的样子,如果有生命或文明存在,它们的生存状态怎么理解?在我们三维世界能够理解吗?有许多人设想过这种空间的生物是个什么样子,甚至一些科学家,如已逝的物理学家霍金,也做过设想。
现在流传的大同小异的说法是,零维和一维根本无法想象。而在二维空间,生物的视角只有一个维度,它们看到的永远是一条前方的线段,相遇无法让道逾越。因为它们都在一个没有厚度的平面上,所有遇到的“线段”都能挡住它;因而,那里的生物无法具备消化器官,因为如果有一根从嘴巴到肛门的消化器官,就会将身体分为两半。那么它们如何进食生存呢?即便不需要进食只需要吸收能量,如果有能量从某一边辐射过来,又如何进入这种生物身体呢?因为这种生物没有厚度,一个电子的厚度也没有,能量如何进入呢?
所以,如果真的有低维空间和低维文明,在我们三维世界,是无法想象其状态的。但刘慈欣有办法,在他的《三体》小说中,描述了二维世界的样子:高层次文明向太阳系丢过来一个二向箔,这是一种降维武器,在二向箔的降维打击下,太阳系被降为二维世界,每一个星球乃至每一个原子都压扁铺开,就像梵高在精神病院所画出的代表作《星月夜》的样子。小说还在另外的章节描述了高级文明为了应对更高级文明的打击,将自己降维到二维生物,苟延残喘。
这些描述充满了矛盾。因为即便一个原子被压成了二维,也就是没有了厚度,其面积也是不可想象的。一个原子直径约10^-10m(米),也就是厚度为10^-10m;普朗克尺度约为1.6*10^-35m,比原子小了25个数量级。也就是说1个原子被压扁成一个1.6万亿千米直径的大圆圈时,也还是有普朗克厚度的。几个原子被压扁到普朗克尺度,就成了光年级的圆饼了,而一个尘埃就由亿亿个原子组成,整个太阳系被压成二维,那将是一个什么场景,实在无法描述。
实际上,如果真有二维世界,连基本粒子和光子也被压成了无厚度,也就是不存在了,又是什么组成了所谓的生命和文明呢?而一个原子甚至一个电子,展开成无厚度的平面后,都会成为无限大,会包裹整个宇宙,怎么可能再看到太阳系像梵高的《星月夜》样子呢?因此我们就不要自作聪明地瞎猜了,低维世界或者说空间根本就是我们无法理解的,什么消化道之类的完全就是扯淡。
因此,人类只能理解三维世界。因为我们就处于三维世界,我们看到的物体都是实实在在的三维物体,包括一只蚂蚁或一个病毒,都是三维存在。三维世界的数学解释就是有长宽高三个维度,就撑起了我们通常说的“空间”,在这个立体空间里,宇宙万物生生灭灭的动态存在着,而标示这种存在的过程就是时间。由此,时间是三维空间的一维轴,贯穿在由x、y、z三个维度撑起的空间中一路向前,有去无回。这就是闵可夫斯基描述的四维时空。
爱因斯坦的狭义相对论赞同闵可夫斯基四维时空的说法,但把时间、空间、物质、运动有机的柔和在一起,认为我们的世界四位一体不可分割的,是相互依存并且具有相对性原理的存在。而在广义相对论中,爱因斯坦又把质量导致的时空弯曲,表述为我们宇宙运动变化的根本。这就是三维空间的本质。闵可夫斯基的四维时空本质上就是动态的三维空间,与所谓四维空间是性质完全不一样两个概念。
不同维度空间的理解和区别四维空间在数学和物理学里面又叫“欧几里得四维空间”,也就是在三维空间的x、y、z维度上,增加一维同一性质的维度,没有人能够对这个多出的维度怎么安放得出令人满意的答案,也没有人能够给四维空间一个足够准确星系的认知,有人认为,或许人们能够看到四维空间现象,却无法想到这就是四维空间。
有人用莫比乌斯环和莱茵瓶企图打开人类想象,一只蚂蚁的视界可能是平面的,我们可以把它理解为二维生物的视野,它们只有前后左右的概念,没有上下的概念,因此,蚂蚁在纸张平面上爬行,如果不爬出边界,是无法到达另一面的。
但如果弄成一个莫比乌斯环,它就能一直爬行无须越过边界,也可以到达平面的另一面,而且会回到原点;而克莱因瓶只是一种思想实验,在这个莱茵瓶里,无须打破表面,里面的物质可以到达内外表面的任何地方,则象征着一个四维空间。但事实上,在我们三维世界,永远也无法做出真正的莱茵瓶。但这种想象依然只是三维空间的思维:人们认为三维空间看二维空间一目了然,可以看到一只在二维表面生物的前后左右和上下,并且只要轻轻提起这只二维生物,就可以让其越过任何障碍到达另外的空间;四维空间的物体就像三维空间的人类对待二维生物一样,可以看到我们的过去未来,随意改变我们所处的时空位置。
我们用更通俗的比喻可以描述二维和三维空间生物的存在方式:在二维世界,因为不知道高度的存在(实际上也没有),三维生物要困住它们只要在它们周围画一个圈,它们就无法逃脱,但三维世界的人随便一抓就可以轻易把它们从圈中提出来,而它的同伴会发现这根线条突然就不见了;而在三维世界,要困住一只老虎或者犀牛,则除了在它们周围画一个圈,这个圈还需要高出平面,甚至做成有顶的栅栏,从地面和高度都把它们围起来。
理论上,四维空间的生物或者说存在“看到”三维生物,哪怕是被封闭起来的老虎或犀牛,也是开放的,随意可以取出的,而且一旦被四维生物“救走”,我们会发现这些动物就是突然不见了,很是诡异。但这种取出如何进行呢?四维存在的物体又是如何能够封闭住的呢?事实果真会如此吗?谁也不知道。
奇妙的11维宇宙是真的吗?现在有一种理论,叫M理论,是宇宙超弦理论的一种。这种理论认为,我们宇宙是11维的,由振动的平面组成。我们现在能够感知的只有4个维度(包括时间维),这是因为其余的7个维度都已经卷曲了,被压缩的极小,这些被卷曲压缩得极小物质就是“弦”,这些弦的尺度远远小于我们认知的最小粒子。
这些理论听起来真的很玄,但有许多科学家认同,而且认为是未来解开大统一理论钥匙。这些理论肯定不是普通老百姓认为的凭空想象,而是有许多复杂公认理论支撑的理论,这些理论很枯燥很难通俗,这里就不展开了说了。
有人认为,弦理论最终可以解开许多当前的未解之谜,如引力、黑洞、超自然力、时空通道等等,这些在我们三维世界看起来很烧脑的东西,在更高的时空中,就是一些最简单的事情;还有人认为,所有基本粒子,包括费米子、轻子、玻色子、希格斯粒子等等,都是弦组成,我们世界就是由这些弦组成,这些弦不同的振动形式,表现为相应不同的粒子,这些弦有开弦有闭弦,引力子就是闭弦。
还有人认为,在三维空间,光速就是一个天花板,只有突破这个天花板,才能够到达更高的时空。而在高维时空,光速则是最低速度。这个理论和量子力学的一些理论也被一些神鬼玄说者们所利用,他们认为这些理论有可能解开世界各种奇奇怪怪的未解之谜,如特异功能、穿越、鬼神等等。但我认为,我们都在三维世界,就必须服从三维世界的规则,高维世界的东西到底存不存在,只能在数学和物理理论中去探讨,永远都无法证实。因此,让我们回归自己的世界,老老实实吃喝拉撒,才是正理。你说呢?欢迎讨论拍砖。