我们离四维空间的观测越来越近

来源:银河说发布时间:2018-03-05

四维空间正在离我们越来越近。

我们已经知道,除了我们感知到的三维空间,理论上还存在着更多维度。今天我们就来探讨一下三维以上空间中最简单的一种——四维空间。

三维我们是再熟悉不过的,以互相垂直的x轴、y轴、z轴为坐标轴不就能描述任意三维空间了嘛。但是如果增加一维,也就是说,在上述三个坐标轴的基础上再加一个类似但彼此独立的参数轴,那会是什么情况呢?对于我们普通人来说,这真的很难想象,哪来的第四维嘛?三维的运动可以理解,这第四维的运动又是什么?

二维到三维

为了便于理解上述问题的答案,先让我们做一个简单的增维训练:假设我们实际上生活在一个二维空间中,那么你能思考和感知的、以为那就是全貌的东西,在三维空间里却只能是物体的一个“切面”或一个平面了。

image001

图1三维的物体降成二维就是一个切面了。图片来源于银河说,由王小小绘制。

比如三维世界中的一个球体穿过二维世界而被你感知到,可你感知的到只是一个一个小点逐渐出现,然后变成小圆,再然后变成大圆,最后又慢慢变回小圆直到复归于无。

2

图2 三维世界的球体经过二维世界时,被感知到的只是一个个点变成圆圈,先变大后变小最终复归于无。动图来源于银河说制图组,由方小浩绘制。

至于你本人,你不再是个五官立体的人,而只是一个纸片人,并且你的活动范围仅限于一张纸片一样的平面里。

image002

图 3 如果你生活在二维世界,你大概就是个纸片人一样的存在。图片来源于银河说,由王小小绘制。

又假设二维的你获得了在第三个维度上移动的能力,那么你就可以在不同的切面之间移动了。但你的二维感官和内心世界并不能感知你在新时空的动向。除非你的二维脑力接收了三维空间的相关概念,然后将因运动而互相联系的不同切面拼接起来,你才会惊觉原来二维世界并不完整,还存在着一个更大的三维世界哦!原来我们生活的地球是这样的哦!

三维到四维

同理,如果世界上真的存在四维空间,并且我们有能力在第四个维度上移动,那么你就可以观察到世界是如何沿着这个维度运动变化的。通过这个维度,你可能会看到你的三维世界在你周围发生变化。如果你有强大的脑力和想象力,你就可以把所有这些信息整合到一个整体的四维心智模型中。

image003

图 4 三维世界中的独立物体石块、垃圾桶、树,在四维空间里可能就是一个完整的存在,只不过凭借我们的脑力,很难想象这三种东西整合起来会变成个啥。图片来源于银河说,由王小小绘制。

某种意义上,你已经这样做了。因为如果你把时间考虑为第四个维度,那么你已经构建出了一个四维心智模型。你周围的三维世界随着时间的推移而改变,在你的大脑中,你将许多不同的时间片段拼接在一起,形成了一个四维(三维空间维度+一个时间维度)世界图景。

由此说来,人类不仅能感知四维空间,甚至已经感受过了!

捕获真正的四维空间

当然,构建四维心智模型绝没这么简单。

虽然时间可以被看作是一个描述物体的独立参数,但时间维度和空间位置的维度性质不同,所以,从另一角度来看,时间维度只是一个伪维度。

那么纯正的四维空间(四个空间维度+一个时间维度)是什么样的呢?

若我们的思维模式无法从三维跨越到四维空间,探索我们无法感知或控制第四维的运动的原因就是不可能的。

好在类比二维到三维的变化,只要第四维也是线性维度,我们就可以知道关于第四维的琐碎信息。因为一旦四维空间中的存在沿着第四个维度靠近或远离我们,那么只能感知三维空间的我们至少还可以观察到事物出现或消失的现象,从而捕获第四维的蛛丝马迹。

两大障碍

上期我们解释过,人类无法感知或控制第四维(非时间维度)的运动,很有可能是因为没有这类生存需求。本期我们则从另一方面着眼,如果第四维也是线性维度,我们就可以通过观察三维世界中事物出现或消失的现象来捕获第四维的蛛丝马迹。但是为什么仍然无法发现第四维呢?

一种可能性是我们所知道的力和物质粒子都只存在于三维空间中,而无法跨越第四维度。因而这些物体都无法在第四维中运动,能量也无法(通过像光子那样的粒子)分散到三维以上的空间中。三维之外的难以想象的维度可能存在吗?当然可能,但是如果任何已知的粒子真的无法到达这些维度,那么我们就没有机会发现它们或者探索它们。

另一种可能性是,这些更高的维度只能被少数更难研究的粒子所穿透,因此我们实在很难被观测到更高的维度。更麻烦的是,这些维度可能拥有不同于常规维度的运动方式,从而隐藏在三维空间中,比如假设某一更高维度是弯曲的、做圆环运动的。

最新发现

尽管目前尚未直接观察到实实在在的四维空间(非时间维度),但最近科学家们终于找到了展现第四空间维度的方法,也就是说我们离观测到四维空间的真实面貌又近了一点。

根据《自然》杂志(Nature),瑞士苏黎世联邦理工学院(ETH)的两支物理学家小组利用量子霍尔效应(Hall effect),实现了对四维时空的探测。

两组人员设计了特殊的二维系统,实验对象分别是对二维状态下的一组超冷原子和一组轻粒子,通过观测、测定霍尔效应,从而在极短的时间内捕捉到了四维时空的状态。两组实验结果不同,但却相辅相成,从理论上把二维空间转换了成四维空间。

扫码加蝌蚪五线谱微信