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深度長(zhǎng)文:四維空間真的存在嗎?人類(lèi)進(jìn)入四維空間會(huì)怎么樣?

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對(duì)于我們這些終生生活在三維空間的三維物種而言,要憑空想象四維空間的模樣,無(wú)疑是一項(xiàng)近乎不可能的挑戰(zhàn)。我們的感官、認(rèn)知和思維模式,從誕生之初就被牢牢束縛在長(zhǎng)、寬、高構(gòu)成的三維框架里,就像被關(guān)在玻璃罩中的蝴蝶,永遠(yuǎn)無(wú)法直觀感知罩外的世界。



但這并不意味著我們完全無(wú)法觸碰高維空間的奧秘——一個(gè)巧妙的方法,就是借助“維度降級(jí)類(lèi)比”:讓一位生活在二維空間的“扁片人”來(lái)到三維空間,觀察他的體驗(yàn)與困惑,我們就能通過(guò)這種類(lèi)比,為自己的三維大腦構(gòu)建起對(duì)四維空間的模糊認(rèn)知。接下來(lái),我們就從這個(gè)有趣的類(lèi)比開(kāi)始,一步步探索高維空間的神奇與詭異。

為了讓這個(gè)類(lèi)比更具參考價(jià)值,我們需要設(shè)定一個(gè)核心前提:這位來(lái)自二維空間的“扁片人”,擁有和我們?nèi)S人類(lèi)相似的感知能力與思維邏輯。我們不妨給他起個(gè)名字——A先生。在二維空間里,A先生的世界只有長(zhǎng)和寬兩個(gè)維度,沒(méi)有任何“高度”的概念。他的眼睛無(wú)法像我們一樣捕捉三維立體影像,只能看到二維空間中的線條、點(diǎn)和輪廓;但和我們類(lèi)似,他的大腦可以通過(guò)光線的明暗變化、線條的透視關(guān)系以及雙眼視差(雖然他的雙眼也位于同一二維平面內(nèi),但仍能通過(guò)間距感知物體的相對(duì)位置),來(lái)判斷二維物體的形狀、大小和距離。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),A先生的感知系統(tǒng)和思維模式,都是為二維世界“量身定制”的,這和我們的認(rèn)知系統(tǒng)適配三維世界的道理完全一致。



我們先從A先生在自己家鄉(xiāng)的日常觀察開(kāi)始。當(dāng)A先生面對(duì)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的正方形時(shí),他的雙眼會(huì)接收到兩個(gè)略有差異的圖像——因?yàn)樗膬芍谎劬μ幱诓煌奈恢?,觀察正方形的角度也會(huì)稍有不同。比如,靠近正方形左側(cè)的眼睛,會(huì)看到正方形左側(cè)的邊更長(zhǎng)、更清晰,右側(cè)的邊則相對(duì)模糊;另一只眼睛則相反。

此時(shí),A先生的二維大腦會(huì)像我們的三維大腦一樣,自動(dòng)對(duì)這兩個(gè)不同的圖像進(jìn)行整合與分析,通過(guò)過(guò)往的生活經(jīng)驗(yàn)判斷出“這是一個(gè)正方形”。這個(gè)過(guò)程看似簡(jiǎn)單,卻和我們?nèi)S人類(lèi)觀察球體的邏輯如出一轍:我們的視網(wǎng)膜接收到的其實(shí)是球體在二維平面上的投影(一個(gè)圓形或橢圓),但我們的大腦會(huì)結(jié)合光影、透視和雙眼視差,自動(dòng)將其還原為“三維球體”的認(rèn)知。也就是說(shuō),無(wú)論是二維人認(rèn)知二維物體,還是三維人認(rèn)知三維物體,本質(zhì)上都是“通過(guò)低維投影還原高維實(shí)體”的過(guò)程——只不過(guò)A先生的“還原”局限于二維,而我們的“還原”局限于三維。

現(xiàn)在,關(guān)鍵的實(shí)驗(yàn)開(kāi)始了:我們用一種“超維度力量”,將A先生從他熟悉的二維空間中“拎”出來(lái),直接放到我們生活的三維空間里,同時(shí)賦予他在三維空間中自由移動(dòng)的能力(包括在我們所說(shuō)的“高度”方向上移動(dòng))。這就像把一只在地面上爬行的螞蟻,突然提升到空中,讓它可以在上下、前后、左右三個(gè)方向自由穿梭。

但這里有一個(gè)核心限制:A先生的生理結(jié)構(gòu)和認(rèn)知系統(tǒng)并沒(méi)有隨之升級(jí),他依然是一個(gè)純粹的二維扁片人。他的眼睛只能捕捉到點(diǎn)和線,無(wú)法感知“面”之外的維度;他的大腦只能處理二維信息,無(wú)法理解“高度”帶來(lái)的空間變化。我們可以用一個(gè)更形象的說(shuō)法來(lái)描述這種狀態(tài):A先生雖然身處三維空間,但他的感知范圍始終被限制在一個(gè)“虛擬的二維平面”內(nèi)(就像下圖中淺綠色的平面),這個(gè)虛擬平面會(huì)隨著他的移動(dòng)而同步移動(dòng),他所能看到的一切,都是三維物體與這個(gè)虛擬二維平面的相交部分。



我們先給A先生安排一個(gè)簡(jiǎn)單的觀察對(duì)象:一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的長(zhǎng)方體。當(dāng)A先生面對(duì)這個(gè)長(zhǎng)方體時(shí),他并不會(huì)像我們一樣看到一個(gè)“有長(zhǎng)、寬、高的立體”,而是只能看到長(zhǎng)方體與他的虛擬二維平面相交形成的圖形——一個(gè)長(zhǎng)方形(也就是下圖中的黃色圖形)。這個(gè)長(zhǎng)方形的大小和形狀,取決于他的虛擬平面與長(zhǎng)方體的相交角度:如果虛擬平面平行于長(zhǎng)方體的一個(gè)面,相交形成的就是一個(gè)和這個(gè)面完全相同的長(zhǎng)方形;如果虛擬平面傾斜于長(zhǎng)方體的面,相交形成的就是一個(gè)平行四邊形。

如果A先生沿著“高度”方向(也就是三維空間中的z軸)移動(dòng),他會(huì)發(fā)現(xiàn)眼前的長(zhǎng)方形始終跟著自己移動(dòng),而且大小和形狀沒(méi)有任何變化——這是因?yàn)樵趜軸方向移動(dòng)時(shí),他的虛擬二維平面始終平行于長(zhǎng)方體的某個(gè)面,相交部分的形狀自然不會(huì)改變。如果A先生以y軸為中心在三維空間中旋轉(zhuǎn),他的虛擬二維平面與長(zhǎng)方體的相交角度會(huì)不斷變化,眼前的長(zhǎng)方形就會(huì)隨之變大、變小,甚至變成不同角度的平行四邊形。這種單調(diào)的變化顯然無(wú)法滿足我們探索高維奧秘的需求,所以我們需要給A先生安排一個(gè)更復(fù)雜的場(chǎng)景:讓他觀察一個(gè)立方體,并讓他的虛擬二維平面與立方體的一條空間對(duì)角線(比如下圖中的EC對(duì)角線,綠色虛線所示)垂直。



接下來(lái),我們讓A先生沿著這條EC對(duì)角線緩慢移動(dòng)。在移動(dòng)的過(guò)程中,他的虛擬二維平面會(huì)不斷切割立方體,而切割形成的圖形,就是他所能看到的全部景象——這也是我們通過(guò)他的體驗(yàn)理解高維認(rèn)知的核心環(huán)節(jié)。因?yàn)榱⒎襟w是三維空間中最規(guī)則的立體圖形,其對(duì)角線方向是三維空間中“最全面”的切割方向,能夠完整展現(xiàn)三維物體在二維平面上的切割變化規(guī)律。

我們來(lái)詳細(xì)拆解A先生在這個(gè)過(guò)程中的觀察結(jié)果。整個(gè)移動(dòng)過(guò)程可以分為五個(gè)關(guān)鍵階段,其中四個(gè)是“特殊瞬間”,其余則是“過(guò)渡階段”:

1. 初始階段:當(dāng)A先生剛出發(fā)時(shí),他的虛擬二維平面與立方體的一個(gè)頂點(diǎn)E相交。此時(shí),平面與立方體的相交部分只有一個(gè)點(diǎn),所以A先生會(huì)看到自己的虛擬平面上突然出現(xiàn)一個(gè)孤立的點(diǎn)。隨著他繼續(xù)沿著EC方向移動(dòng),這個(gè)點(diǎn)會(huì)逐漸擴(kuò)展,慢慢變成一個(gè)三角形,而且這個(gè)三角形會(huì)不斷變大——這是因?yàn)樘摂M平面開(kāi)始切割立方體的三個(gè)相鄰面,相交形成的輪廓就是三角形。

2. 第一個(gè)關(guān)鍵瞬間:當(dāng)A先生移動(dòng)到某個(gè)位置時(shí),他的虛擬二維平面恰好同時(shí)經(jīng)過(guò)立方體的三個(gè)頂點(diǎn)A、H、F。此時(shí),平面切割立方體形成的圖形就是三角形AHF,這是一個(gè)規(guī)則的等邊三角形(前提是立方體的邊長(zhǎng)相等),也是整個(gè)移動(dòng)過(guò)程中第一個(gè)“完整的特征圖形”。A先生的大腦會(huì)將這個(gè)圖形識(shí)別為“一個(gè)最大的三角形”,但他無(wú)法理解這個(gè)三角形為什么會(huì)突然出現(xiàn),因?yàn)樗恢肋@是三維立方體的三個(gè)頂點(diǎn)在二維平面上的投影。

3. 過(guò)渡階段:經(jīng)過(guò)A、H、F三個(gè)頂點(diǎn)后,A先生繼續(xù)移動(dòng),虛擬平面切割立方體的位置開(kāi)始變化,之前的正三角形會(huì)逐漸變形——三角形的三個(gè)頂點(diǎn)會(huì)慢慢向內(nèi)收縮,同時(shí)在三角形的三條邊上會(huì)逐漸“長(zhǎng)出”新的頂點(diǎn),最終形成一個(gè)六邊形。這個(gè)六邊形是從正三角形向另一個(gè)三角形過(guò)渡的中間形態(tài),其每條邊都對(duì)應(yīng)著立方體不同面的切割輪廓。A先生會(huì)看到眼前的三角形突然“變復(fù)雜”,出現(xiàn)了六條邊,這會(huì)完全超出他的二維認(rèn)知,因?yàn)樵谒氖澜缋?,最?fù)雜的規(guī)則圖形也只是多邊形,而這種“從三角形到六邊形”的平滑變形,是他從未見(jiàn)過(guò)的景象。

4. 第二個(gè)關(guān)鍵瞬間:當(dāng)A先生移動(dòng)到接近EC對(duì)角線中點(diǎn)的位置時(shí),虛擬二維平面會(huì)同時(shí)經(jīng)過(guò)立方體的另外三個(gè)頂點(diǎn)B、D、G。此時(shí),平面切割立方體形成的圖形是三角形BDG,而且這個(gè)三角形是“倒立”的——與之前的三角形AHF相比,它的頂點(diǎn)方向完全相反。A先生會(huì)看到眼前的六邊形突然收縮,重新變成一個(gè)三角形,但這個(gè)三角形的“朝向”和之前完全相反,這會(huì)讓他更加困惑:為什么一個(gè)圖形會(huì)突然顛倒過(guò)來(lái),卻沒(méi)有發(fā)生任何“翻轉(zhuǎn)”的動(dòng)作?

5. 收尾階段:經(jīng)過(guò)B、D、G三個(gè)頂點(diǎn)后,A先生繼續(xù)向C點(diǎn)移動(dòng),眼前的倒立三角形會(huì)逐漸縮小,三條邊慢慢向內(nèi)收縮,最終重新變成一個(gè)點(diǎn)。當(dāng)他到達(dá)C點(diǎn)時(shí),這個(gè)點(diǎn)會(huì)徹底消失——因?yàn)榇藭r(shí)虛擬二維平面與立方體的另一個(gè)頂點(diǎn)C相交,之后便徹底脫離了立方體。

5. 總結(jié)一下,在整個(gè)移動(dòng)過(guò)程中,A先生看到的核心圖形變化序列是:點(diǎn) → 正三角形 → 六邊形 → 倒立三角形 → 點(diǎn)。這四個(gè)關(guān)鍵瞬間(點(diǎn)、正三角形、倒立三角形、點(diǎn))對(duì)應(yīng)的圖形,就是虛擬平面與立方體頂點(diǎn)相交時(shí)產(chǎn)生的特征圖形,而這些圖形之間的平滑變形,則是平面切割立方體不同部位時(shí)的過(guò)渡狀態(tài)。



通過(guò)A先生的體驗(yàn),我們可以得出一個(gè)核心結(jié)論:當(dāng)?shù)途S生物進(jìn)入高維空間時(shí),由于感知系統(tǒng)的限制,他們無(wú)法直接看到高維物體的全貌,只能看到高維物體與自己“虛擬低維平面”的相交部分,而這種相交部分會(huì)隨著自身的移動(dòng)發(fā)生各種“詭異”的變形——這些變形在低維生物的認(rèn)知里是無(wú)法理解的,但在高維空間中,其實(shí)是高維物體的固有屬性。

閑話休提,書(shū)歸正傳。了解了A先生在三維空間的體驗(yàn)后,我們終于可以回答核心問(wèn)題:如果我們?nèi)S人進(jìn)入四維空間,會(huì)看到什么情景?答案其實(shí)和A先生的體驗(yàn)高度相似:雖然我們進(jìn)入了四維空間,但我們的生理結(jié)構(gòu)和認(rèn)知系統(tǒng)依然是為三維空間設(shè)計(jì)的,無(wú)法直接看到四維物體的全貌。我們的感知范圍會(huì)被限制在一個(gè)“虛擬的三維平面”內(nèi)(這里需要特別說(shuō)明:在維度認(rèn)知中,“平面”的定義是“比當(dāng)前空間維度少一維的子空間”——在三維空間中,平面是二維的;在四維空間中,“平面”就是三維的,我們可以牽強(qiáng)地稱(chēng)之為“三維平面”),我們所能看到的一切,都是四維物體與這個(gè)虛擬三維平面的相交部分。

要從“三維立方體被二維平面切割”的規(guī)律,推導(dǎo)出“四維超立方體被三維平面切割”的規(guī)律,我們需要借助一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)學(xué)工具——帕斯卡三角(也叫楊輝三角)。想必大多數(shù)人對(duì)這個(gè)名字都不陌生,它是一個(gè)由數(shù)字組成的三角形矩陣,每個(gè)數(shù)字都是它上方兩個(gè)數(shù)字的和。但很少有人知道,帕斯卡三角中隱藏著高維空間的秘密:它準(zhǔn)確地揭示了“多維立方體被低維平面沿著對(duì)角線方向切割時(shí),產(chǎn)生的特征圖形的頂點(diǎn)數(shù)變化規(guī)律”。



我們先驗(yàn)證一下這個(gè)規(guī)律。之前我們分析了三維立方體被二維平面沿著對(duì)角線切割的情況,A先生看到的特征圖形的頂點(diǎn)數(shù)變化是:1(點(diǎn))→ 3(正三角形)→ 3(倒立三角形)→ 1(點(diǎn))。這四個(gè)數(shù)字(1、3、3、1)恰好對(duì)應(yīng)帕斯卡三角的第三行(注意:帕斯卡三角的行數(shù)從0開(kāi)始計(jì)數(shù),第0行是1,第1行是1、1,第2行是1、2、1,第3行是1、3、3、1)。這個(gè)對(duì)應(yīng)關(guān)系并非巧合,因?yàn)榕了箍ㄈ堑牡趎行數(shù)字,恰好代表了n維立方體被(n-1)維平面沿著對(duì)角線切割時(shí),特征圖形的頂點(diǎn)數(shù)變化序列。

理解了這個(gè)規(guī)律,我們就可以輕松推導(dǎo)四維空間的情況了。四維空間中的“立方體”被稱(chēng)為“超立方體”(也叫四維立方體),它是三維立方體在四維空間中的延伸,擁有16個(gè)頂點(diǎn)、32條棱、24個(gè)面和8個(gè)三維“面”(也叫“胞”)。要知道四維超立方體被三維平面沿著對(duì)角線切割時(shí)的特征圖形變化,我們只需要查看帕斯卡三角的第四行——這一行的數(shù)字是:1、4、6、4、1。這五個(gè)數(shù)字就代表了我們進(jìn)入四維空間后,觀察超立方體時(shí)看到的特征圖形的頂點(diǎn)數(shù)變化序列。結(jié)合三維空間的類(lèi)比邏輯,我們可以還原出整個(gè)觀察過(guò)程:

1. 初始階段:當(dāng)我們的虛擬三維平面與超立方體的一個(gè)頂點(diǎn)相交時(shí),我們會(huì)看到一個(gè)孤立的點(diǎn)——這和A先生最初看到的點(diǎn)完全一致,是低維平面與高維物體頂點(diǎn)相交的最基礎(chǔ)形態(tài)。此時(shí),這個(gè)點(diǎn)沒(méi)有任何體積和維度感,只是一個(gè)純粹的“存在”。

2. 第一階段變形:隨著我們沿著超立方體的四維對(duì)角線移動(dòng),這個(gè)點(diǎn)會(huì)在三個(gè)維度上同時(shí)膨脹,逐漸變成一個(gè)擁有4個(gè)頂點(diǎn)的三維圖形——正四面體(也叫正三棱錐)。正四面體是三維空間中最簡(jiǎn)單的正多面體,由4個(gè)等邊三角形組成,每個(gè)頂點(diǎn)都與其他三個(gè)頂點(diǎn)相連。我們會(huì)看到眼前的點(diǎn)突然“長(zhǎng)出”三個(gè)分支,慢慢形成一個(gè)立體圖形,這個(gè)過(guò)程就像A先生看到點(diǎn)變成三角形一樣,是高維物體的“維度展開(kāi)”在低維平面上的體現(xiàn)。

3. 第二階段變形:繼續(xù)移動(dòng),正四面體的四個(gè)頂點(diǎn)會(huì)逐漸向外擴(kuò)展,同時(shí)在四條棱的中間位置會(huì)慢慢“長(zhǎng)出”新的頂點(diǎn),最終形成一個(gè)擁有6個(gè)頂點(diǎn)的三維圖形——正八面體。正八面體由8個(gè)等邊三角形組成,對(duì)稱(chēng)分布在三個(gè)相互垂直的軸上,就像兩個(gè)底面重合的正四面體。這個(gè)過(guò)程類(lèi)似于A先生看到三角形變成六邊形的過(guò)渡階段,是四維超立方體的更多“面”與我們的虛擬三維平面相交的結(jié)果。對(duì)于我們的三維大腦而言,這種“從正四面體到正八面體”的平滑變形是極其詭異的,因?yàn)樵谌S空間中,一個(gè)立體圖形要改變頂點(diǎn)數(shù),必須經(jīng)過(guò)“切割”或“拼接”,而不是這種無(wú)中生有的“長(zhǎng)出”新頂點(diǎn)。

4. 第三階段變形:當(dāng)我們移動(dòng)到超立方體四維對(duì)角線的中點(diǎn)附近時(shí),正八面體的6個(gè)頂點(diǎn)會(huì)逐漸向內(nèi)收縮,重新變成一個(gè)擁有4個(gè)頂點(diǎn)的正四面體——但這個(gè)正四面體的朝向與之前的正四面體完全相反,就像A先生看到的倒立三角形一樣。我們會(huì)看到眼前的正八面體突然收縮,頂點(diǎn)方向顛倒,這種“無(wú)翻轉(zhuǎn)卻顛倒”的現(xiàn)象,是四維空間的對(duì)稱(chēng)性在三維平面上的投影結(jié)果,完全超出了我們的日常認(rèn)知。

5. 收尾階段:繼續(xù)向超立方體的另一個(gè)頂點(diǎn)移動(dòng),這個(gè)倒立的正四面體會(huì)逐漸縮小,四個(gè)頂點(diǎn)慢慢匯聚,最終重新變成一個(gè)點(diǎn)。當(dāng)我們到達(dá)超立方體的另一個(gè)頂點(diǎn)時(shí),這個(gè)點(diǎn)會(huì)徹底消失,標(biāo)志著我們的虛擬三維平面完全脫離了超立方體。



整個(gè)過(guò)程中,我們看到的核心圖形變化序列是:點(diǎn) → 正四面體 → 正八面體 → 倒立正四面體 → 點(diǎn)。如果你的空間想象能力足夠強(qiáng),還可以嘗試挑戰(zhàn)更高維度:帕斯卡三角的第五行數(shù)字是1、5、10、10、5、1,這代表五維超立方體被四維平面切割時(shí)的頂點(diǎn)數(shù)變化序列,對(duì)應(yīng)的特征圖形會(huì)更加復(fù)雜,但遵循的規(guī)律是完全一致的。

看到這里,你可能會(huì)產(chǎn)生一個(gè)有趣的想法:既然我們?cè)谌S空間中觀察四維超立方體的過(guò)程,等同于“超立方體穿越我們的虛擬三維平面”的過(guò)程,那么我們何必費(fèi)力進(jìn)入四維空間呢?待在自己的三維家鄉(xiāng),等著一個(gè)四維超立方體從我們身邊經(jīng)過(guò),不也能觀察到同樣的景象嗎?

從理論上來(lái)說(shuō),這兩種情況的“圖形變化序列”確實(shí)是相同的——因?yàn)椤拔覀冄刂⒎襟w的對(duì)角線移動(dòng)”和“超立方體沿著對(duì)角線穿越我們的虛擬平面”,本質(zhì)上是相對(duì)運(yùn)動(dòng),產(chǎn)生的相交圖形變化是一致的。但從實(shí)際體驗(yàn)來(lái)看,這兩種情況有著天壤之別,而且后者的體驗(yàn)要“溫和”得多,前者則可能帶來(lái)致命的危險(xiǎn)。



首先,我們來(lái)看看視覺(jué)體驗(yàn)的差異。當(dāng)A先生待在二維空間,讓一個(gè)三維長(zhǎng)方體穿越他的虛擬二維平面時(shí),他只能看到長(zhǎng)方體與平面相交的圖形變化(比如長(zhǎng)方形變大、變小、變形);但當(dāng)A先生主動(dòng)進(jìn)入三維空間后,情況就不同了:來(lái)自三維空間的光線會(huì)從各個(gè)方向進(jìn)入他的虛擬二維平面,甚至有一部分光線會(huì)繞過(guò)他的晶狀體(因?yàn)樗木铙w是為二維光線設(shè)計(jì)的),直接落在他的視網(wǎng)膜上。這些“額外”的光線無(wú)法被他的大腦處理,會(huì)形成各種難以名狀的光影——就像我們用相機(jī)拍攝時(shí),鏡頭進(jìn)光過(guò)多產(chǎn)生的眩光和光斑,但比那要詭異得多。

對(duì)于進(jìn)入四維空間的我們而言,情況也是如此。四維空間中的光線不僅會(huì)在我們熟悉的長(zhǎng)、寬、高三個(gè)維度上傳播,還會(huì)在第四個(gè)維度上傳播。當(dāng)這些光線進(jìn)入我們的虛擬三維平面時(shí),大部分光線都無(wú)法通過(guò)我們的眼睛正常成像,會(huì)直接作用于我們的視網(wǎng)膜和視覺(jué)神經(jīng),形成各種光怪陸離的光影:有的光影會(huì)突然出現(xiàn)又突然消失,有的會(huì)在空間中“漂浮”并不斷變形,有的會(huì)呈現(xiàn)出我們無(wú)法理解的顏色(因?yàn)樗木S空間的光線頻率可能超出了我們的視覺(jué)范圍)。這些光影無(wú)法被我們的大腦解讀,只會(huì)帶來(lái)強(qiáng)烈的眩暈和混亂,甚至可能損傷我們的視覺(jué)系統(tǒng)。

更可怕的是,進(jìn)入四維空間會(huì)給我們的身體帶來(lái)致命的傷害——這才是最核心的差異。



我們還是請(qǐng)A先生來(lái)做演示:當(dāng)A先生待在自己的二維家鄉(xiāng)時(shí),他的身體是一個(gè)二維圖形,所有的內(nèi)臟器官都被“包裹”在這個(gè)二維圖形內(nèi)部,受到身體輪廓的保護(hù),沒(méi)有任何暴露的風(fēng)險(xiǎn)。但當(dāng)他被帶入三維空間后,情況就徹底改變了:他的身體在三維空間中是一個(gè)“扁片”,沒(méi)有任何“高度”方向的保護(hù),所有的內(nèi)臟器官都會(huì)在第三個(gè)維度上完全暴露在外——就像我們把一張畫(huà)有小人的紙攤開(kāi),小人的“內(nèi)臟”(如果畫(huà)有的話)會(huì)直接暴露在空氣中一樣。

對(duì)于進(jìn)入四維空間的我們而言,同樣的事情會(huì)發(fā)生在我們身上,而且后果更加嚴(yán)重。我們的身體是三維結(jié)構(gòu),所有的內(nèi)臟器官都被皮膚、骨骼和肌肉包裹在長(zhǎng)、寬、高構(gòu)成的三維空間內(nèi);但在四維空間中,我們?nèi)鄙倭说谒膫€(gè)維度的“保護(hù)”,所有的內(nèi)臟器官都會(huì)在第四個(gè)維度上完全暴露在外。沒(méi)有任何東西能夠阻止我們的心臟、肝臟、腎臟等器官在第四個(gè)維度方向上“掉出”體外——幸運(yùn)的是,我們的內(nèi)臟大多通過(guò)血管、韌帶等組織相互連接,所以它們不會(huì)稀里嘩啦地滾落一地,但會(huì)晃晃悠悠地掛在體外,完全無(wú)法執(zhí)行正常的生理功能。

我們可以稍微想象一下這個(gè)場(chǎng)景:你的心臟在胸前跳動(dòng),但同時(shí)又在第四個(gè)維度上延伸出一部分,你能“感知”到它的存在,卻無(wú)法觸摸到;你的血管像一串懸空的藤蔓,在四維空間中延伸;你的肺部在呼吸時(shí),不僅會(huì)在三維空間中擴(kuò)張收縮,還會(huì)在第四個(gè)維度上“膨脹”,吸入的空氣會(huì)從第四個(gè)維度流失。這是一幅極其血腥恐怖的景象,任何恐怖片都無(wú)法與之相比——因?yàn)榭植榔膱?chǎng)景至少還在三維空間的邏輯內(nèi),而這種“內(nèi)臟暴露”是超出三維認(rèn)知的、根本性的身體破壞。如果有一個(gè)四維智慧生物看到這一幕,估計(jì)會(huì)被這種“畸形”的景象嚇得做上好幾天噩夢(mèng)。

這還不是最糟糕的。我們體內(nèi)的血液、淋巴液等液體,會(huì)迅速?gòu)牡谒膫€(gè)維度方向流出來(lái)——因?yàn)樵谒木S空間中,這些液體不再被血管壁和皮膚限制在三維范圍內(nèi),會(huì)沿著阻力最小的方向擴(kuò)散。而剩余的少量液體,會(huì)因?yàn)橥耆┞对谒木S空間的“環(huán)境”中(可能是真空,也可能是其他未知介質(zhì)),迅速蒸發(fā)或凝固。所以,你根本沒(méi)有時(shí)間去欣賞四維空間的奇妙景象,在進(jìn)入四維空間的瞬間,身體就會(huì)遭受致命的損傷,很快就會(huì)失去生命。

有人開(kāi)玩笑說(shuō),如果古埃及人早就發(fā)現(xiàn)了四維空間的秘密,他們可能會(huì)把它當(dāng)成快速制作木乃伊的捷徑——因?yàn)檫M(jìn)入四維空間后,身體內(nèi)的液體迅速流失,組織會(huì)快速干燥凝固,和木乃伊的制作過(guò)程極其相似。但對(duì)于我們這些三維凡夫俗子而言,顯然沒(méi)有必要去嘗試這種“自殺式體驗(yàn)”。

那么,我們真的就無(wú)法體驗(yàn)高維空間了嗎?其實(shí)也不是。除了“等待四維物體穿越我們的三維空間”這種溫和的方式,我們還可以通過(guò)數(shù)學(xué)模型和計(jì)算機(jī)模擬,來(lái)構(gòu)建四維空間的虛擬影像。比如,科學(xué)家們可以通過(guò)編程,將四維超立方體在三維空間中的投影變化制作成動(dòng)畫(huà),我們通過(guò)觀看動(dòng)畫(huà),就能直觀地看到“點(diǎn)→正四面體→正八面體→倒立正四面體→點(diǎn)”的變化過(guò)程。雖然這不是真正的四維空間體驗(yàn),但足以幫助我們理解高維空間的規(guī)律。



更重要的是,探索高維空間的意義,不僅僅在于滿足我們的好奇心。在現(xiàn)代物理學(xué)中,高維空間是許多前沿理論的核心假設(shè)——比如弦理論就認(rèn)為,我們的宇宙其實(shí)是11維的,只是除了長(zhǎng)、寬、高三個(gè)維度外,其他維度都被“蜷縮”到了極小的尺度,我們無(wú)法直接感知。通過(guò)研究高維空間的數(shù)學(xué)規(guī)律,我們可以更好地理解宇宙的本質(zhì),解釋那些目前無(wú)法用三維物理學(xué)解釋的現(xiàn)象(比如暗物質(zhì)、暗能量的存在)。

總結(jié)一下:對(duì)于三維人而言,進(jìn)入四維空間是一場(chǎng)致命的冒險(xiǎn),我們不僅無(wú)法欣賞到高維空間的奇妙景象,還會(huì)瞬間遭受身體的致命損傷。但通過(guò)“二維人進(jìn)入三維空間”的類(lèi)比,以及帕斯卡三角等數(shù)學(xué)工具的幫助,我們可以構(gòu)建起對(duì)四維空間的模糊認(rèn)知,理解高維物體在低維空間中的投影規(guī)律。這種認(rèn)知雖然無(wú)法讓我們“看到”四維空間,但足以讓我們感受到宇宙的神奇與復(fù)雜——畢竟,人類(lèi)的進(jìn)步正是源于對(duì)未知的好奇和探索,哪怕這種探索只是停留在理論層面。

所以,與其糾結(jié)于“如何進(jìn)入四維空間”,不如靜下心來(lái),通過(guò)數(shù)學(xué)和科學(xué)的方式去感受高維空間的奧秘。或許有一天,隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,我們能夠通過(guò)更先進(jìn)的手段,安全地“體驗(yàn)”高維空間;但在那之前,我們不妨先做一個(gè)安靜的觀察者,期待著有一天,一個(gè)四維超立方體能從我們的眼前緩緩經(jīng)過(guò)。

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