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【四維空間概念】 四維空間是一個(gè)時(shí)空的概念。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，任何具有四維的空間都可以被稱為“四維空間”。不過(guò)，日常生活所提及的“四維空間”，大多數(shù)都是指愛(ài)因斯坦在他的《廣義相對(duì)論》和《狹義相對(duì)論》中提及的“四維時(shí)空”概念。根據(jù)愛(ài)因斯坦的概念，我們的宇宙是由時(shí)間和空間構(gòu)成。時(shí)空的關(guān)系，是在空間的架構(gòu)上比普通三維空間的長(zhǎng)、寬、高三條軸外又加了一條時(shí)間軸，而這條時(shí)間的軸是一條虛數(shù)值的軸。 根據(jù)愛(ài)因斯坦相對(duì)論所說(shuō)：我們生活中所面對(duì)的三維空間加上時(shí)間構(gòu)成所謂四維空間。由于我們?cè)诘厍蛏纤�感覺(jué)到的時(shí)間很慢，所以不會(huì)明顯的感覺(jué)到四維空間的存在，但一旦登上宇宙飛船或到達(dá)宇宙之中，使本身所在參照系的速度開(kāi)始變快或開(kāi)始接近光速時(shí)，我們能對(duì)比的找到時(shí)間的變化。如果你在時(shí)速接近光速的飛船里航行，你的生命會(huì)比在地球上的人要長(zhǎng)很多。這里有一種勢(shì)場(chǎng)所在，物質(zhì)的能量會(huì)隨著速度的改變而改變。所以時(shí)間的變化及對(duì)比是以物質(zhì)的速度為參照系的。這就是時(shí)間為什么是四維空間的要素之一。 【解析四維空間】 什么是四維？現(xiàn)在的說(shuō)法是三維空間加上時(shí)間這一維，構(gòu)成所謂的四維空間。然而，這種說(shuō)法是一擊即破的。為什么？ 我們可以從二維來(lái)考慮。一個(gè)二維生物（如果有的話），他們考慮所謂的三維空間絕對(duì)和我們的三維空間不同——他們會(huì)把時(shí)間作為第三維，因?yàn)樗麄儫o(wú)法感受這一維的存在。同樣，我們現(xiàn)在也走進(jìn)了這個(gè)誤區(qū)，把時(shí)間算做第四維。可能四維生物看到我們?cè)谛麚P(yáng)這種思想時(shí)，也在為我們嘆息。那么時(shí)間算不算一維？在我看來(lái)，時(shí)間應(yīng)該是一維，即在多維生物本身的維度之外再加一維，構(gòu)成新的N+1維空間，而且這樣也有助于幫我們解決一些問(wèn)題，也可以使我們對(duì)比三維維度更高的空間加深認(rèn)識(shí)。 有一個(gè)更新的構(gòu)想，即所有的維度都是由時(shí)間構(gòu)成，沒(méi)有時(shí)間，就沒(méi)有空間，包括最基本的一維空間。這應(yīng)該好理解，因?yàn)闆](méi)有時(shí)間，空間本身的存在就沒(méi)有任何意義，因?yàn)闀r(shí)空本身就是不能分割的整體。那么，為什么一種時(shí)間可以形成不同的維度空間？這里，我們可以把時(shí)間看成是一種可以分解的常量。時(shí)間可以分解，這一句話理解起來(lái)可能有點(diǎn)困難。但是，只要想通了道理也是很簡(jiǎn)單的。要明白這個(gè)道理，首先必須了解兩點(diǎn)。第一是時(shí)空的不可分性，這一點(diǎn)估計(jì)大家都明白，離開(kāi)了空間談時(shí)間，或者離開(kāi)了時(shí)間談空間，都是毫無(wú)意義的。第二點(diǎn)是時(shí)間的多樣性，這一點(diǎn)了解起來(lái)可能有一點(diǎn)麻煩。在日常生活中，我們接觸到的都是時(shí)間的合成體，也就是各個(gè)分時(shí)間有機(jī)結(jié)合形成的一個(gè)總的時(shí)間體系。可能你們會(huì)覺(jué)得我是在狡辯，其實(shí)不是。只要你們換一個(gè)角度去想，一個(gè)結(jié)果，可能是幾個(gè)不同的原因形成的。就拿運(yùn)動(dòng)來(lái)說(shuō)，我們觀察到的一般都是幾個(gè)不同運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的一種運(yùn)動(dòng)的結(jié)合體，即合運(yùn)動(dòng)。關(guān)于時(shí)間，我們也可以這樣去想。我們看到的時(shí)間結(jié)合體，可以是由物體運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，歷史時(shí)間（即經(jīng)歷時(shí)間）和其他的一些時(shí)間構(gòu)成。而運(yùn)動(dòng)時(shí)間，我們又可以看成由上下運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，左右運(yùn)動(dòng)的時(shí)間和前后運(yùn)動(dòng)的時(shí)間。當(dāng)然，劃分方法是多樣的，這就構(gòu)成了時(shí)間的多樣性，至于如何去劃分，這就要由不同的情況而定。一部分時(shí)間對(duì)應(yīng)一段空間。在這個(gè)不完整的空間里，時(shí)間起到了決定性的作用。 我們之所以是三維生物，是以為這個(gè)維度的空間里只存在三維的時(shí)間。時(shí)間的不完整決定了空間的不完整。我們不能認(rèn)識(shí)其他維度的空間，是因?yàn)槲覀儾痪邆湓谀莻�(gè)空間里面運(yùn)動(dòng)的時(shí)間。時(shí)間的多樣性決定的空間的多樣性。同時(shí)，因?yàn)闀r(shí)間的不同分解方式，注定了我們的三維空間也是相對(duì)的，它可以被命名為一維，二維，甚至是任意維——完全取決于不同的分解方式。時(shí)間是決定維度的關(guān)鍵，同時(shí)，它也是決定低維物體高維存在方式的關(guān)鍵。 讓我們看看科學(xué)上的說(shuō)法：低維是空間上讀缺陷，它們不具備在高維世界內(nèi)運(yùn)動(dòng)的空間。關(guān)于這一點(diǎn)，有一個(gè)疑問(wèn)，那就是我們?cè)趺纯梢园l(fā)現(xiàn)這個(gè)缺陷。我們認(rèn)為的低維不存在某一個(gè)空間長(zhǎng)度，是因?yàn)槲覀儫o(wú)法確定它有那一個(gè)長(zhǎng)度，也就是我們現(xiàn)在用最好的設(shè)備也無(wú)法觀察到那一個(gè)長(zhǎng)度差。那么，將來(lái)呢？我們現(xiàn)在無(wú)法認(rèn)證，可能將來(lái)會(huì)有人證明那個(gè)低維物體確實(shí)屬于高維。因此，低維與高維并不存在所謂的空間差。那么，我們?nèi)绾螀^(qū)別高維與低維？很簡(jiǎn)單，用時(shí)間。用時(shí)間去解釋任何一個(gè)緯度空間，我們也可以認(rèn)為，低維之所以比高維低級(jí)，是因?yàn)樗鼈兇嬖跁r(shí)間上的缺陷，它們無(wú)法在時(shí)間范疇內(nèi)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(shí)間范圍。高維與低維之間可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化，道理是很簡(jiǎn)單的，只要加入或者去掉一個(gè)時(shí)間單位就可以了。然而說(shuō)起來(lái)很容易，做起來(lái)卻很復(fù)雜，我們對(duì)時(shí)間的概念都是如此模糊，要想在空間范圍類實(shí)現(xiàn)時(shí)間的轉(zhuǎn)化就更困難。 對(duì)四維空間，一般人可能只是認(rèn)為在長(zhǎng)、寬、高的軸上，再加上一根時(shí)間軸，但對(duì)于其具體情況，大部分的人仍知之甚少。有一位專家曾打過(guò)一個(gè)比方：讓我們先假設(shè)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(gè)二維扁片人關(guān)起來(lái)，只消用線在他四周畫(huà)一個(gè)圈即可，這樣一來(lái)，在二維空間的范圍內(nèi)，他無(wú)論如何也走不出這個(gè)圈。現(xiàn)在我們這些生活在三維空間的人對(duì)其進(jìn)行“干涉”。我們只需從第三個(gè)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(duì)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。如果我們能克服四維空間，那么，在瞬間跨越三維空間的距離也不是不可能。 【物理世界的四維空間】 在數(shù)學(xué)上有各種多維空間，但目前為止，我們認(rèn)識(shí)的物理世界只是四維，即三維空間加一維時(shí)間。現(xiàn)代微觀物理學(xué)提到的高維空間是另一層意思，只有數(shù)學(xué)意義。 四維時(shí)空是構(gòu)成真實(shí)世界的最低維度，我們的世界恰好是四維，至于高維真實(shí)空間，至少現(xiàn)在我們還無(wú)法感知。我在一個(gè)帖子上說(shuō)過(guò)一個(gè)例子，一把尺子在三維空間里（不含時(shí)間）轉(zhuǎn)動(dòng)，其長(zhǎng)度不變，但旋轉(zhuǎn)它時(shí)，它的各坐標(biāo)值均發(fā)生了變化，且坐標(biāo)之間是有聯(lián)系的。四維時(shí)空的意義就是時(shí)間是第四維坐標(biāo)，它與空間坐標(biāo)是有聯(lián)系的，也就是說(shuō)時(shí)空是統(tǒng)一的，不可分割的整體，它們是一種“此消彼長(zhǎng)”的關(guān)系。 四維時(shí)空不僅限于此，由質(zhì)能關(guān)系知，質(zhì)量和能量實(shí)際是一回事，質(zhì)量（或能量）并不是獨(dú)立的，而是與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相關(guān)的，比如速度越大，質(zhì)量越大。在四維時(shí)空里，質(zhì)量（或能量）實(shí)際是四維動(dòng)量的第四維分量，動(dòng)量是描述物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的量，因此質(zhì)量與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)就是理所當(dāng)然的了。在四維時(shí)空里，動(dòng)量和能量實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一，稱為能量動(dòng)量四矢。另外在四維時(shí)空里還定義了四維速度，四維加速度，四維力，電磁場(chǎng)方程組的四維形式等。值得一提的是，電磁場(chǎng)方程組的四維形式更加完美，完全統(tǒng)一了電和磁，電場(chǎng)和磁場(chǎng)用一個(gè)統(tǒng)一的電磁場(chǎng)張量來(lái)描述。四維時(shí)空的物理定律比三維定律要完美的多，這說(shuō)明我們的世界的確是四維的。可以說(shuō)至少它比牛頓力學(xué)要完美的多。至少由它的完美性，我們不能對(duì)它妄加懷疑。 在狹義相對(duì)論中，時(shí)間與空間構(gòu)成了一個(gè)不可分割的整體——四維時(shí)空，能量與動(dòng)量也構(gòu)成了一個(gè)不可分割的整體——四維動(dòng)量。這說(shuō)明自然界一些看似毫不相干的量之間可能存在深刻的聯(lián)系。在今后論及廣義相對(duì)論時(shí)我們還會(huì)看到，時(shí)空與能量動(dòng)量四矢之間也存在著深刻的聯(lián)系。

回答者：lx904152325ii2016-03-30 00:00