四維空間，我們感知過！

四維空間，我們感知過！？

文：June Xu 繪圖：王小小、方小浩 審：飛果

回顧上期內容，我們已經知道，除了我們感知到的三維空間，理論上還存在著更多維度。今天我們就來探討一下三維以上空間中最簡單的一種——四維空間。

三維我們是再熟悉不過的，以互相垂直的x軸、y軸、z軸為坐標軸不就能描述任意三維空間了嘛。但是如果增加一維，也就是說，在上述三個坐標軸的基礎上再加一個類似但彼此獨立的參數軸，那會是什麼情況呢？對於我們普通人來說，這真的很難想像，哪來的第四維嘛？三維的運動可以理解，這第四維的運動又是什麼？

二維到三維

為了便於理解上述問題的答案，先讓我們做一個簡單的增維訓練：假設我們實際上生活在一個二維空間中，那麼你能思考和感知的、以為那就是全貌的東西，在三維空間里卻只能是物體的一個「切面」或一個平面了。

圖1三維的物體降成二維就是一個切面了。圖片來源於銀河說，由王小小繪製。

比如三維世界中的一個球體穿過二維世界而被你感知到，可你感知的到只是一個一個小點逐漸出現，然後變成小圓，再然後變成大圓，最後又慢慢變回小圓直到復歸於無。

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圖2三維世界的球體經過二維世界時，被感知到的只是一個個點變成圓圈，先變大後變小最終復歸於無。動圖來源於銀河說製圖組，由方小浩繪製。

至於你本人，你不再是個五官立體的人，而只是一個紙片人，並且你的活動範圍僅限於一張紙片一樣的平面里。

圖 3如果你生活在二維世界，你大概就是個紙片人一樣的存在。圖片來源於銀河說，由王小小繪製。

又假設二維的你獲得了在第三個維度上移動的能力，那麼你就可以在不同的切面之間移動了。但你的二維感官和內心世界並不能感知你在新時空的動向。除非你的二維腦力接收了三維空間的相關概念，然後將因運動而互相聯繫的不同切面拼接起來，你才會驚覺原來二維世界並不完整，還存在著一個更大的三維世界哦！原來我們生活的地球是這樣的哦！

三維到四維

同理，如果世界上真的存在四維空間，並且我們有能力在第四個維度上移動，那麼你就可以觀察到世界是如何沿著這個維度運動變化的。通過這個維度，你可能會看到你的三維世界在你周圍發生變化。如果你有強大的腦力和想像力，你就可以把所有這些信息整合到一個整體的四維心智模型中。

圖 4三維世界中的獨立物體石塊、垃圾桶、樹，在四維空間里可能就是一個完整的存在，只不過憑藉我們的腦力，很難想像這三種東西整合起來會變成個啥。圖片來源於銀河說，由王小小繪製。

某種意義上，你已經這樣做了。因為如果你把時間考慮為第四個維度，那麼你已經構建出了一個四維心智模型。你周圍的三維世界隨著時間的推移而改變，在你的大腦中，你將許多不同的時間片段拼接在一起，形成了一個四維(三維空間維度+一個時間維度)世界圖景。

由此說來，人類不僅能感知四維空間，甚至已經感受過了！

捕獲真正的四維空間

當然，構建四維心智模型絕沒這麼簡單。

雖然時間可以被看作是一個描述物體的獨立參數，但時間維度和空間位置的維度性質不同，所以，從另一角度來看，時間維度只是一個偽維度。

那麼純正的四維空間（四個空間維度+一個時間維度）是什麼樣的呢？

若我們的思維模式無法從三維跨越到四維空間，探索我們無法感知或控制第四維的運動的原因就是不可能的。

好在類比二維到三維的變化，只要第四維也是線性維度，我們就可以知道關於第四維的瑣碎信息。因為一旦四維空間中的存在沿著第四個維度靠近或遠離我們，那麼只能感知三維空間的我們至少還可以觀察到事物出現或消失的現象，從而捕獲第四維的蛛絲馬跡。

兩大障礙

上期我們解釋過，人類無法感知或控制第四維（非時間維度）的運動，很有可能是因為沒有這類生存需求。本期我們則從另一方面著眼，如果第四維也是線性維度，我們就可以通過觀察三維世界中事物出現或消失的現象來捕獲第四維的蛛絲馬跡。但是為什麼仍然無法發現第四維呢？

一種可能性是我們所知道的力和物質粒子都只存在於三維空間中，而無法跨越第四維度。因而這些物體都無法在第四維中運動，能量也無法(通過像光子那樣的粒子)分散到三維以上的空間中。三維之外的難以想像的維度可能存在嗎?當然可能，但是如果任何已知的粒子真的無法到達這些維度，那麼我們就沒有機會發現它們或者探索它們。

另一種可能性是，這些更高的維度只能被少數更難研究的粒子所穿透，因此我們實在很難被觀測到更高的維度。更麻煩的是，這些維度可能擁有不同於常規維度的運動方式，從而隱藏在三維空間中，比如假設某一更高維度是彎曲的、做圓環運動的。

最新發現

儘管目前尚未直接觀察到實實在在的四維空間（非時間維度），但最近科學家們終於找到了展現第四空間維度的方法，也就是說我們離觀測到四維空間的真實面貌又近了一點。

根據《自然》雜誌（Nature），瑞士蘇黎世聯邦理工學院（ETH）的兩支物理學家小組利用量子霍爾效應（Hall effect），實現了對四維時空的探測。

兩組人員設計了特殊的二維繫統，實驗對象分別是對二維狀態下的一組超冷原子和一組輕粒子，通過觀測、測定霍爾效應，從而在極短的時間內捕捉到了四維時空的狀態。兩組實驗結果不同，但卻相輔相成，從理論上把二維空間轉換了成四維空間。

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