“四維空間”這個經(jīng)常出現(xiàn)在科幻題材的小說中的概念，到底是什么樣的呢？

這里請注意空間二字，因為不少人會將四維空間與四維時空混為一談。在對宇宙進行描述時，我們經(jīng)常會提到四維時空這個概念，然而不少朋友對四維時空產(chǎn)生了誤解，將其與四維空間等同到了一起。下面我們就先來簡單的介紹一下四維時空與四維空間的關系。

所謂時空，指的是時間與空間的集合，而空間一般認為是三維的，時間作為單獨的一維存在，二者組合成了四維時空。實際上這個四維時空，是相對論中常用的概念，是當年愛因斯坦的老師閔可夫斯基在狹義相對論問世后對其進行了數(shù)學優(yōu)化后才有的概念，閔可夫斯基本人將四維時空稱之為世界。

那么四維空間又是什么呢？如果你將上段內(nèi)容看明白了，那么四維空間其實也就懂了，無非就是空間的維度變?yōu)榱怂膫€，而時間這一維并沒有考慮進去（否則就叫五維時空）。

說到這，一個很自然的疑問就來了，四維空間到底是什么模樣，里面的物體又是以何種方式存在的呢？

雖然嘴上說著容易，雖然我們作為三維空間里的生物，自認為對三維空間已經(jīng)十分了解，似乎只是比三維空間多一維的四維空間理應很好想象出來，但實際上我們對四維空間的模樣都無法清晰的認知，有人不相信四維空間有這么難想，那就看看下面的例子吧

先從二維和三維空間的角度來講解

我們假設一個三維球體穿越二維平面的場景，如下圖所示：

上圖左側是二維空間中出現(xiàn)的畫面，右側是三維空間出現(xiàn)的畫面，這兩種情況都很好理解。

現(xiàn)在我們再過渡到三維和四維空間當中

首先對于四維空間中的球體，我們有個專用的稱呼，叫做：超球體（實際上更廣泛的來講，四維空間中的任意物體形狀都被稱為超體），那么當超球體穿過某個三維空間區(qū)域會怎么樣呢？如下圖：

由于我們畫不出超球體的真實面目，因此只能用上圖右側的鏤空球體來表示，而這個鏤空球體穿過的正是三維空間，那么對于這個超球體在三維空間中體現(xiàn)出來的樣子到底如何呢？按照之前在球體在二維和三維空間中的變化，我們可以推測超球體在三維空間中是以一個不斷變化體積的球體形式出現(xiàn)的，就如上圖左側所示一般。

剛才我們是從物體移動的角度去觀測超體在三維空間的表現(xiàn)，如果變?yōu)槌w旋轉，那么在三維空間的表現(xiàn)又是如何呢？

下面用投影的辦法來看看超體在三維空間的表現(xiàn)吧。（所謂投影，顧名思義，也就是用光照射物體，將其影子投放到一個“面”上）

先從三維立方體的投影說起

假設一個立方體在空中轉動，此時有一束光照射其上，于是立方體的影子就被投影到了一個二維平面上，由于立方體是轉動的，因此影子的形狀也在變化，如果進一步假定立方體的每個面都是透光的，那么就如下圖所示：

現(xiàn)在再考慮轉動的超立方體（四維立方體）投影到三維空間中

那么會是怎樣的一番場景呢？如下圖所示：

這就是超立方體在三維空間的投影，隨著超立方體的轉動，三維投影也跟著變化。

結合上述兩個例子，你能想象出超球體和超立方體在四維空間中的真實模樣嗎？

想不出來？沒關系，下面讓我們來一把四維生物的奇妙體驗吧

我們在中小學時期應該聽過這樣的的說法：連點成線，連線成面，連面成體，實際上這里體現(xiàn)的就是空間維度上升帶來的變化。

我們利用空間直角坐標系進行講解

試想一個位于一維空間的一維生物，所謂一維空間也就是坐標系上的一個軸而已，只有長度，沒有寬度和高度，由此可見這個一維生物的體型就是一條線段，此時我們以這個一維生物的視角來觀察一維空間，很顯然出現(xiàn)在我們眼前的世界就是一個點。

此時我們將空間維度增加一條，也就是所謂的二維空間（即坐標系上又兩條坐標軸確定的一個平面），不嚴格的講，這個二維空間實際上就和咱們平時用的紙的紙面是一回事，無論紙面上的內(nèi)容多么豐富，也都只能局限于紙面，無法跳出紙面（沒有高度）。如果我們以二維空間的生物視角去觀察這個世界，會發(fā)現(xiàn)整個世界不過是無數(shù)條線罷了。

現(xiàn)在讓我們回到三維空間，也就是用空間直角坐標系確定的空間，按照前面的邏輯，我們看到的世界應該是無數(shù)幅二維畫面組成的，說到這，可能又很多朋友疑惑了，怎么能是二維畫面呢？我們眼睛看到的畫面都是立體的啊。

原因很簡單，這全是大腦和兩只眼睛的功勞，用一個簡單的實驗就可以反駁，閉起一只眼睛，兩只手各拿一支筆，先在空中隨便揮幾圈，之后用另一只眼睛注視著，手拿筆，使兩筆尖對碰，看看要幾次才能成功，若不是一次就能成功，就足以說明問題了（實際上，最好方式是用一些不熟悉的物體進行實驗）。

最后讓我們進入四維空間，看看從四維空間的生物的視角看世界會有什么樣的表現(xiàn)呢？

按照之前幾個空間進行類推，在四維生物的眼中，世界應該是一幅幅三維立體的畫面，一個簡單的例子，假設在三維空間中有個立方體箱子，你站在箱子面前，試問你能看到這個箱子的幾個面？

很顯然，在不借助外部工具的情況下，無論如何是不可能同時看到六個面的。然而這件事對于四維生物來講，卻顯得非常容易，因為它們能看到三維畫面，也就是說可以同時看到箱子的六個面。

當然了，上述例子僅僅是對四維生物的管中窺豹而已，然后在面對如此神奇的四維空間之后，我們不禁要問，四維空間真的存在嗎？實際上這個問題就等于在問，除了三維空間加一維時間組成的四維時空之外，是否還存在空間的其它維度沒有被發(fā)現(xiàn)。

遺憾的是，對于四維空間乃至更加高維的空間（比如M理論中存在著九維或十維空間）的研究還僅僅停留在紙面上，并沒有具體切實的實驗證據(jù)支持，但我們也不能否定高維空間的存在。

本篇文章的內(nèi)容到此結束。

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