深度长文：四维空间与三维空间有什么区别？（超4000字建议收藏）

我们生活在三维空间，更严谨来讲是四维时空。既然存在三维空间，很多人都有疑问：是否存在四维空间呢？四维空间与三维空间到底有什么区别？

简单讲，一个是虚构的，而另一个是真实存在的。

我们能感知到三维空间的存在，三个维度通俗来讲就是数学概念里的“长宽高”，三维空间的存在是实实在在的。那么，能不能在三维空间的基础上再增加一个问题，这个维度仍旧属于空间上的维度，而不是时间维度，然后变成四维空间呢？

刘慈欣在他的科幻小说《三体》里面有对四维空间的描述，这里不再详述了，总之刘慈欣的描述很神奇但也很难理解。事实上，在我们的三维空间里，无论如何都不可能描述出四维空间真正的样子，甚至哪怕是想象都想象不出来。

为什么？

因为我们连四维空间是否存在都不知道，甚至都无法准确定义四维空间，怎么可能知道四维空间到底是什么样子的呢？事实上，不同维度空间里面的生物，根本不可能知道其他维度空间的模样。

虽然如此，但这并不意味着人类不用去想象四维空间了，我们可以通过各种方式间接理解四维空间可能的样子。

首先，从数学上理解四维空间。数学上对维度的描述其实是很简单的，不要说四维了，理论上不管多少维度都可以描述。

首先从零维开始。在数学概念里，零维就是一个点，当然这样的点并不是我们随手用笔画的点，因为零维概念里的点是没有大小的，没有体积，当然更没有长宽高，也就相当于物理概念里的物体的质点，或者说奇点。宇宙大爆炸瞬间的奇点，还有黑洞中心的奇点就是这样一个零维的点。

而平时我们用笔能画出的点，不管多小，总是有大小的。生活中我们遇到的东西，不管再怎么小，都不可能是零维的，都是有面积和体积的。

零维的上面就是一维，通俗理解一维就是一条线，有无数个零维的点组成，一维只有长度，没有高度当然更没有深度，所以一维既没有面积也没有体积。

接下来的二维就更好理解了，简单说就是一个面，就像一张纸，就可以近似理解为二维，但严谨来讲，一张纸不管有多薄，都不可能是二维的，因为任何纸张都有厚度。而二维的面只有长度和宽度，没有厚度。所以二维只有面积，没有体积。

三维就不用多说了，就是我们生活的空间，既有长度宽度，也有深度，这三个维度组成了三维空间。

那么四维空间呢？从数学概念来讲，是由四条相互垂直的直线组成的空间，我们都知道，一个点上只能有三条相互垂直的空间，那么第四条直线在哪里呢？我们很难去想象。

对于生活在三维空间的人类来讲，零维，一维和二维都属于低维空间。我们每天看到的生物都属于三维生物。那么，你有没有想到低维空间里有没有生物呢？如果有，那些生物会是什么样子的？

首先有必要说一下我们所在的三维空间。虽然我们生活在三维空间里，其实我们只能看到物体的二维表面，无法看到后面或者隐藏的部分。也就是说，我们看到的其实是二维，之所以我们能感知到物体是三维的，其实是我们的眼睛“欺骗”了大脑，我们产生了立体图像的“错觉”。

再来说说二维空间里面的生物，在他们的视角里，其实也只能看到一个维度，也就是说，二维生物只能看到前面的一条线。如果人类在二维空间里哪怕是画一条线，二维生物都无法越过那条线，因为二维空间里没有厚度的概念，他们不可能“跳起来”直接越过那条线。

正因为如此，二维生命根本不可能有消化器官，因为这样的消化器官就相当于一条线，可以直接把他们分成两半。说白了，二维生物就像是传说中的“纸片人”。

那么，二维生物是如何生存的呢？即使他们不需要进食，但一定需要吸收能量吧？能量是如何进入到二维生物的身体里面的？

由于二维生物没有厚度，哪怕是光子这种能量也不可能被他们吸收，因为光子也是有厚度的。

这是我们根本无法想象的。这也是刚开始为什么我会说，即便存在低维空间和低维生物，他们的状态也是我们完全无法想象的。

还是刘慈欣的科幻小说《三体》里，是这样描述二维空间的，用二向箔的形式来间接描述。简单来说，就是向低维世界扔下一个二向箔，实施降维打击。

在降维打击下，我们的太阳系甚至整个宇宙都会被压缩成二维空间世界，所有的物质都会被完全压扁，最终变成没有厚度的“一幅画”，就像梵高的代表作《星月夜》那样。

其实刘慈欣对于二向箔和降维打击的描述是矛盾的。原因很简单，不要说整个太阳系了，即便是一个小小的原子也不可能被压缩成二维。因为二维意味着没有了厚度，或者说厚度无限小，这种情况下一个原子被压缩成二维，面积也会无穷大，无穷大是什么概念？我们不知道，也无法理解。

事实上，如果我们的三维世界真的被二向箔降维打击成二维世界，意味着连光子也没有了厚度，这样的世界怎么可能存在呢？又怎么可能出现智慧物种呢？

但科幻毕竟只是科幻，不能要求太严谨，不能完全用科学的严谨性要求科幻设想，否则就失去了科幻的初衷了。

但这里毕竟是科普，还是要以科学的严谨性为主。所以，我还是那句话，不要以为低维空间就很容易理解，事实上，低维空间与高维空间，比如说四维空间同样无法理解。

说白了，我们人类只能理解三维空间，其他维度的空间，不管是低维度还是高维度，我们都不可能理解。

有人经常把蚂蚁比作是二维生物，其实在我们的三维世界里，别说是蚂蚁了，就算是一个小小的细菌，都是三维生物。任何物体都存在三维空间里，而标示物体存在的过程就是时间，这也是为什么说时间和空间是不可分割的，三维空间是不可能单独存在的。三维空间与时间一起组成了四维时空，其实也是闵可夫斯基时空。

那么，除了从数学概念去理解四维空间，还有没有其他方式去理解四维空间呢？确实有，我能想到的还有两种方式。

第一，利用投影去理解四维空间。简单讲，低维世界就是高维世界的投影，这一点其实很好理解。比如说一维空间是一条线，那么一条线的投影就是一个点，无限小的点，也就是零维。二维是一个面，一个面的投影就是一条线。我们三维世界的投影就应该是二维世界，任何三维物体的投影就是一个面。

同样的道理，我们所在的三维世界，就应该是四维世界的投影。但具体如何投影的，又是一个无法解释的难题。我们通常说三维物体是“立方体”，那么四维空间里的物体就是“超立方体”。

第二，利用移动的方式理解四维空间。简单讲，高维空间都是低维空间移动形成的。比如说零维是一个点，一个点朝着某个方向移动，就会形成一条直线，也就是一维。而一维的一条线朝着某个维度移动就会形成一个面，就是二维空间。而一个面朝着某个方向移动就会形成我们的三维空间。

同理，三维空间的移动自然会形成四维空间。但你也许发现了一个问题，无论通过哪种方式理解四维空间，最终都会遇到一个无法避免也无法解释的难题。三维空间到底该朝着哪个方向，或者哪个维度移动呢？

除了以上方式，网络上经常有人利用莫比乌斯环或者克莱因瓶理解四维空间，的确，这两样东西能在一定程度上放飞我们的思想，有助于我们间接理解四维空间。

可以把我们所在的三维空间想象成一个莫比乌斯环，也就是说，在更大的尺度来讲，我们其实是生活在一个“平面”上，只是我们生活的空间太狭小了，根本无法感知到这样的“平面”。当我们在三维空间里穿梭时，就相当于沿着莫比乌斯环在行走，无论如何都走不出去。

莫比乌斯环更容易理解，而且我们可以轻松制造出这种东西。而克莱因瓶完全是想象出来的东西，也就是思想实验。如果我们往克莱因瓶里倒水，永远倒不满，倒进去的水会通过第四个空间维度再次流向注入口，如此无限循环。显然，这样的瓶子在现实世界中是不存在的。市场上虽然有卖克莱因瓶的，但其实所有的克莱因瓶与普通的瓶子并没有本质区别，只是造型独特一点而已。

其实，还有一种更通俗的方式来间接理解四维空间。先拿三维空间与二维空间的对比去理解，如果存在二维空间，那么人类就相当于二维空间里面的“神”，因为我们完全可以在神不知鬼不觉的情况下拎起任何二维生物，他们甚至不知道发生了什么，就可以越过任何障碍。

同理，四维空间里的生物在我们人类眼里同样是“神”一般的存在。刚才也说了，在我们的三维世界里，人类看到的其实只是物体的一个面，也就是二维面，看不到物体的后面和整体，更看不到物体里面的东西。

但是对于四维生物来讲，上面所说的一切都太简单了，他们能看到我们的一切，包括我们的内脏。即便你把自己锁在一个完全密闭的房子里，四维生物也能看到你，甚至能直接穿过密闭的墙壁，直接穿墙而过，来到你的面前，而你对此毫不知情，根本发现不了四维生物的存在。

是不是挺吓人的？以后被吓到了不要怪我啊，呵呵，我只是假设，拓展大家的思维。

如果觉得四维空间已经很神奇，很难想象，那么更高维度的空间更是我们无法想象的。

有一种理论相信大家都听说过，弦理论，该理论有延伸出了很多不同的分支，比如说超弦理论，M理论，膜理论等。

总的来讲，弦理论认为我们的宇宙拥有多达11个维度，除了我们所在的四个维度之外，也就是三维空间加上时间维度，还有7个维度，这些多余的维度在哪里呢？

都卷曲的非常狭小的空间里，所谓的量子空间，被压缩到极度小的尺度，只能以“弦”的形式存在，弦可以是开放的，也可以是封闭的。弦的尺度非常小，比已知的任何基本粒子都要小。同时，微小的弦可以振动，振动形式的不同可以形成不同的基本粒子。

有科学家认为，弦理论是揭开宇宙未解之谜的终极理论，不但可以统一相对论和量子力学，还可以揭示黑洞的本质。

我们认为非常复杂烧脑的宇宙奥秘，一旦来到高维度空间，就显得非常简单了。这也是不少科学家如此执着研究弦理论的主要原因，在他们眼里，哪怕是升高一个维度，对世界本质的认知就会有质的飞跃。这种飞跃就像三维空间的我们很容易理解深度这个维度，但二维空间里面的生物打死也想不到深度这个概念。

如果二维生物能来到三维空间，他们肯定会发出这样的感慨：我真的是猪脑子，连深度这么简单的维度都想象不到！

同理，如果未来某天，人类能以某种方式前往四维空间，肯定会有着同样的感慨：人类也太笨了吧，第四个空间维度这么简单，甚至明明就在眼前，为什么就是想象不到呢？

这，或许就是高维度对低维度的绝对碾压！从侧面其实也说明一个事实：我们永远想象不到没有见过的事物。不要犟，你声称能想象出来的任何事物，其实在现实中都能找到原型！

完！