地球上有没有发现过四维物体的三维投影?

四维物体,出了长宽高外,还需要一个额外的维度才能够支撑其存在。就以目前我们的宇宙表现来看,我们的宇宙是三维的(时间除外),而非四维的,存在于我们宇宙的物体也都是三维的。

但是,虽然我们三维生物看不见四维物体,但是从一些物理现象,却隐隐可以找到高维存在的蛛丝马迹。最为明显的就是爱因斯坦的广义相对论,它直接认为引力的本质就是时空的几何扭曲,而这种扭曲已经被实验所证实。那么,如果我们空间是三维的,时空如何扭曲?向那个维度扭曲?

就像一个二维纸片,如果没有第三个纬度,纸片绝对无法扭曲,只能够是一个平直的二维纸片。比如著名的莫比乌斯环,就是因为存在于三维空间,故而可以扭曲为只有一个面的奇怪物件。所以说,如果没有高维的存在,我们的时空又如何产生几何扭曲?

很多图片上画出的时空扭曲,就是一个投影而已,是三维的。这种扭曲如果在现实中,我们很容易能够理解或者测量出来。但是,真实情况是空间的每个维度都存在扭曲,这种扭曲是各项同性,没有区别的。就像黑洞经常被描写成一个“向下”的时空深洞,但其实黑洞的时空在各个维度都是“向下”的,而非图上画的只朝一个纬度向下。就像<星际穿越>里面说的,虫洞不是一个洞,是一个球形洞,三维不能够看其全貌,四维才可以。

所以说,时空的扭曲方向就是朝向高维的,正式我们无法想象到高维,所以我们也无法看到高维物体或者直观地看到空间的扭曲样子。

四维物质是一种比三维还有复杂得多的东西,其投影更是比本体还要复杂,可以说,一般人的脑洞根本装不下这么复杂的东西。先来个最简单的图给大家感受一下。

上面这个图所显示的就是四维三角体旋转的时候投影在三维空间时的真实情况。可以看出这个投影的形状和体积都是在不停的发生变化的,如果这个看不懂,那再来了超立方体的试试。

像这种变幻的也就能在电脑上模拟一下,现实中真找不到类似的东西。当然,不排除以后材料方面取得惊人的进展,或许可以制造出一个真实的模型。不过那也只是个模型罢了。

不过现在我们在现实中看不到类似的东西,也并不代表着它们就不存在。也许它们很小很小,而且分布也不广,更有可能出现的时间很短,以至于我们人类还没发现。。。

回答这个问题,我们先要定义一下这里所指的四维物体。

因为我们一般提到四维,可能有两种含义:一种是说四维时空,也就是三维空间加上一维时间。像爱因斯坦相对论所涉及的宇宙图景,就是一个四维时空宇宙。对于这种时空四维在三维的投影,其实我们每时每刻都能感受到。

想想那是什么呢?就是当下,这一分,这一秒,一个普朗克尺度时间间隔下的整个三维宇宙。比如上面这张延时摄影作品,记录了星体在空中的轨迹,实际上就反映出了星体作为一个四维时空物体的存在状态。而每一个时刻星体的定格状态,就是这个四维星体在三维的投影。

而另一种四维,指的是几何四维,题主问的应该是这种四维物体。也就是说除了长宽高之外,这种物体在另外一个我们所不能认知的维度上,也有物理存在。实际上,这种几何四维体,指的是时空五维体。

那么一个几何四维体在三维的投影应该是什么样子呢?我们可以先从最简单的例子出发,一个四维中运动的球体,在三维的正投影是什么?应该是一个大小不断变化的球体。想象不出来?那么拿一个气球放在灯泡下,改变气球距离灯泡的位置,你看到它的影子是不是一个不断变化的圆形呢?

那么想一想,你在生活中见过一个漂浮在空中,小大不断变化的球体吗?用嘴吹一个气球,然后吸气呼气让它不断变大变小,恭喜你,模拟了一个和四维球体在三维空间投影等价的东东。不过,这个气球在四维几何空间有对应的实体吗?很难说!就好比一个二维平面上的生物,在平面上制造一个不断变化的圆形阴影,并不需要三维空间真的有一个对应的实体。

但也有一种可能性,宇宙的11个维度,其实都是完全物理映射的。也就是说,所谓高纬度的实体,真实的物理本质是构建于低维度上的,高维度只是低维度信息的映射,或者说,幻觉。目前的黑洞全息熵理论,就是认为黑洞本质上并不是三维实体,而是二维实体。黑洞内部所谓的三维空间并不存在,黑洞的一切有意义信息都映射在黑洞的二维表面上。

如果是这样,那么只要我们在三维空间制造出一个与四维空间在三维空间投影等价的实体,那么这个实体在对应的四维空间上,也会映射出一个相应的四维实体。

其实现代理论物理,试图协调量子力学和广义相对论,就是从维度入手,维度也许正是解释宇宙本质的关键所在。

电子自旋可能就是四维或者更高维的旋转在三维上的投影。

为什么这么说呢?

先举二维的例子,有个东西它是顺时针转的,那么无论在平面上,你怎么旋转,从不同角度看,它仍然是顺时针的。但是如果这个平面在第三维发生旋转,它的投影就会慢慢发生变化,一旦平面旋转超过90度,你就会突然看到这个物体从顺时针变成逆时针旋转了。

同样的事情也可以发生在三维。三维是用手性来区别两种旋转状态的。如果一个物体原先好好的是右手系,突然变成了左手系,那么就说明物体在更高维发生了超过90度的旋转。基本粒子的自旋,也就是宇称是不守恒的。说明在基本粒子领域完全可能出现把粒子在更高维旋转超过90度的可能。自旋也可能仅是高维旋转在三维的投影。不过这种旋转还得首先被量子化。

有,就是鬼魂。灵魂是存在于我们的三维空间之外的,它又和三维空间的人体大脑及其神经系统有着连接。人体的感觉信号通过神经系统传送到四维空间的灵魂系统,灵魂系统的指令通过神经系统再传递到身体各处。当人体死后,灵魂脱离人体而飘荡于四维空间,但是不会距离原来的三维空间太远。当它逼近三维空间时,他就可以反射三维空间的光线并且射进三维生物的眼睛中。这时,三维空间的某些人就可以看到它。但是它仍然存在于我们的三维空间之外,所以它可以穿过任何物体。

现在没有任何理论支持四维空间的存在,也没有任何证据证明四维生物的存在。

首先我们来明确个概念,题中所指的四维物体应该是位于五维时空中的,就是四维空间加上一维的时间。例如现在的我们就是三维空间中的物体,是处在四维时空中的。

由于这个思维的局限性,我们是难以想象四维空间的,但是通过类比大体上可以推导出四维空间的几何模型-超正方体。

以下动图中显示的超正方体形成的过程,反过来看就是在三维空间中的投影。

当然为什么我们说四维空间由于我们思维的局限性根本想象不出来,就是因为我们做出的模型例如超正方体,他也是处在三维空间中的,真正的四维空间是什么样子,或者是否存在?没有人知道。

结合了五种超弦理论加上11维空间的概念形成了最新的前沿理论-M理论,该理论被看作是可以调节相对论和量子力学的终极理论。那么这个理论最终是否可以用在证明四维空间相关的存在,让我们拭目以待?


图片来源网络侵删。

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最近比较火热的动画电影《哪吒之魔童降世》,我觉得有一个片段可以说说这个三维世界与二维世界的关系,我们知道电影里面哪吒内涵巨大的能量,太乙真人为此将哪吒带到了山河社稷图中进行训练。

山河社稷图里面的丰富多彩,随意刻画,就像是我们生活中所看到的二维世界的画一样,从山河社稷图外面,人们可以看到图画中人物活动的轨迹,但是图画中的任务却看不到外面的世界。

这种就是二维世界和三位世界的一种关系,高维世界可以洞察低维世界的一切,但是低维世界却看不到高维世界的东西。而如果说高维世界的东西在低维世界出现,也是以低维世界的某种形式表现出来,就如同山河社稷图中,所有改动,在外界看来都是在画画。

类比三维世界和四维世界的关系也是一样,四维世界可以洞悉三维世界的一切,但是三维世界却看不到四维世界的东西,同理四维世界的东西在三维世界都是以三维世界的形式展现。

比如很多人将时间作为三维之外的第思维,那么在整个时间轴上,三维世界是可以通透的展示,而时间再这一刻的投影,就是我们所处的三维世界现状。

孙悟空啊,悟空原来是三维空间生物修炼72般变化就变成了四维生物在四维空间他就是72个形态同时存在的生物体然后在三维空间的时候想变什么就把那一面投影到三围空间来,三围空间的人看见了以为他真的变了其实他还是原来那个他只是他选择了一个面投影到三维空间

《星际穿越》里库珀进入黑洞中心的五维时空、《三体》中地球人通过进入高维空间干掉了“水滴”,这些画面和描述很形象,会让人产生一种错觉,认为在我们的四维时空之外,真的存在更高的维度一般来讲,我们身处一个四维时空中,也就是三维空间加一维时间。这是爱因斯坦给我们定义的时空观。1926年,德国数学物理学家西奥多·卡鲁扎在爱因斯坦的四维时空上,再添加一个空间维度,把爱因斯坦的相对论方程加以改写,目的是把当时已知的两种基本力“电磁力”和“引力”统一到一个方程中。敲黑板注意了!这是数学层面的操作,目的是为了方便统一两种力,并非证明了我们的时空就是五维的。从方程式的角度,维度也就是一个量而已,不要说五维,一百维都没关系。

随着量子力学的发展,其一个分支理论:弦论开始越来越受到科学界的关注。弦论非常非常复杂难懂,对此感兴趣的读者可以去看一下布赖恩·格林所著的《宇宙的琴弦》。虽然是一本科普读物,但我保证你看的头昏脑胀。这里我用最简单通俗的语言来大概描述一下,简单就不可能精确,还请大家见谅。

弦论认为组成宇宙中所有单位的是一条非常非常小的弦(其实叫“能量线”更恰当,弦论中“弦”并非一条实物线),而不是我们通常认为的“粒子”,弦的不同振动和运动产生了各种不同的基本粒子

现在我们知道,宇宙中的四种基本力:强作用力、弱作用力、电磁力和引力也可以用粒子来描述。这样的话,弦论就有希望把四种力完全统一起来,创造一个“万物理论”(有没有联想到《星际穿越》中那个关键的方程式?)

爱因斯坦的广义相对论在他的宏观引力王国战无不胜,但进入微观量子领域就没有了用武之地;量子理论在微观领域好用,但对付引力束手无策。如果谁能够把宇宙中的四种力完美的统一起来,那就是取得物理界公认的“圣杯”。

弦论虽然年少得志、前景光明,但它也有两个致命伤:一个它极难获得实验证明,二是它需要改造我们的宇宙,它要求我们的宇宙是十维的!

弦论目前还在发展中,即使它最后统一了所有的粒子和力,成为了“万物理论”,即使我们的宇宙被证明是十维的,大家也别想着进入高维空间去摘别人的大脑。因为根据弦论的计算表明:多出来的六个维度,会蜷缩到一个非常非常小的尺度,与我们宏观世界不会产生任何互动。

所以可以答题了:这个世界上应该不存在宏观的四维物体,更不会投影到我们的三维世界

四维空间

如果要说四维物体的投影,目前人类能够想象的恐怕也只有量子纠缠了。量子纠缠在我们世界鬼魅一般无法解释的现象也许就是四维空间给我们的投影。

第一个问题:高维物体对低维空间投影会有哪些不正常?

客观上来说,鉴于维度的复杂性,低维空间的人根本无法想象高维的世界。就像一个二维的纸片人不能理解三维世界怎么会有一个厚度(高度)一样,我们三维世界的人其实也很难想象四维空间究竟是一个什么样子,四维物体投影到三维空间会有什么特性。所以,我们只能通过三维物体在二维空间的投影特性,来推断在我们世界的那些物体或者现象可能是四维物体的投影。

那么三维物体在二维空间的投影有什么特点,对二维世界的人有什么不正常的呢?

三维物体在二维空间的投影其实是一个横截面,就像三维的球投影到二维空间是一个圆,三维空间的立方体投影到二维空间是一个正方形一样。在正常情况下,其实二维空间的人感觉不到什么异常,因为在他的世界中,即便三维物体上下移动,在二维空间的截面呈现大小、形状的变化也是正常的,符合二维空间的基本规律。但是有一种情况却是例外,比如不规则的三维物体,如下图所示:

不规则三维物体投影

如果是这样一个三维物体投放到二维空间,会是两个毫不相连的点,或者两个毫无关系的面。但是二维世界的人如果对其中任何一个点或者面进行操作,都会影响到另一个点或者面。这在二维世界是无法解释的,因为它既不是磁力、也不是引力,用二维世界中任何一种逻辑都无法解释。那么,二维世界中的科学家就有理由怀疑这个东西是三维世界的投影。如果把这种逻辑带入到三维世界,目前我们能想到的就只有两种情况:

一、超越光速鬼魅一般的量子纠缠,相互纠缠的两个量子之间究竟靠什么发生作用?

二、黑洞的裸奇点,虽然目前裸奇点仍然处于科学家的猜想阶段,但如果这种奇异的黑洞真的存在,它的奇点又为什么会是裸露的?

高维空间

第二个问题:如果地球上没有发现过四维物体的三维投影,是否意味着不存在四维空间?

结论:前文已经说过,低维在正常情况下根本无法想象高维的世界,所以我们只能通过观察三维世界中的异常现象来逐步推断高维。抛开目前还存在与假说的裸奇点,无法解释的量子纠缠是我们人类在地球上唯一证实存在又无法解释的现象。为什么两颗量子之间会呈现奇异的纠缠关系?为什么他们之间又无法传递信息?为什么量子拒绝观察,它的位置与动量不可同时被确定……

量子种种的奇异特性,放在三维世界也许我们很难理解,但如果我们有一天能够真的想明白四维空间,也学这些问题就像那个三维空间投影到二维空间的例子一样,一目了然。总之到目前为止,对四维空间的描述在科学上还只存在与数学层面,任何三维世界中对四维空间模拟都只是人类的想象,无法最终证实和证伪,这不是一个非常严谨的科学课题。

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