對(duì)這個(gè)問題的回答，首先要確定題主想問的是“四維空間”還是“四維時(shí)空”。這兩個(gè)概念有很大的區(qū)別，下面來分別解釋一下。

一，什么是四維空間？

超過三維的空間，即高維空間，作為幾何對(duì)象是很難理解的，作為代數(shù)對(duì)象卻很容易理解。

根據(jù)我們?nèi)粘?duì)一維（線）、二維（面）、三維（體）空間的印象，一個(gè)空間有幾維，就是在這個(gè)空間中能夠做幾條互相垂直的直線，或者說有幾個(gè)互相垂直的方向。你面前一條左右伸展的直線上，只有左右方向。你面前一張鋪開的白紙上，有左右方向加上下方向。你面前的整個(gè)空間中，有左右方向、上下方向和前后方向。

以此類推，四維空間就是在左右、上下和前后之外，還有一個(gè)與它們垂直的方向的空間。這個(gè)定義一目了然，人腦卻難以想象出來（不排除有些數(shù)學(xué)家經(jīng)過特殊訓(xùn)練有可能想象出來），因?yàn)槲覀內(nèi)粘Ｒ姷降目臻g是三維空間，不存在這第四個(gè)方向。四維都想象不出來，更高維度就更不用說了。所以說，高維空間作為幾何對(duì)象是很難理解的。

從代數(shù)的觀點(diǎn)看，n維的空間就是所有的滿足以下性質(zhì)的矢量的集合：（1）有n個(gè)互相垂直的基礎(chǔ)矢量屬于此集合，垂直的定義是純粹代數(shù)的，即兩個(gè)矢量的“內(nèi)積”等于0；（2）此集合中任何一個(gè)矢量都等于這n個(gè)基礎(chǔ)矢量乘以某些常數(shù)后相加（即這些基礎(chǔ)矢量的線性疊加），例如2乘以第一個(gè)基礎(chǔ)矢量，加上3乘以第二個(gè)基礎(chǔ)矢量，加上0.5乘以第三個(gè)基礎(chǔ)矢量，加上0乘以后面的基礎(chǔ)矢量。你如果能看懂，太好了。如果看不懂，沒辦法，只能說這是大學(xué)里線性代數(shù)的內(nèi)容，等你學(xué)到線性代數(shù)就明白了。這個(gè)定義的妙處是完全不需要空間想象，無論多少維在數(shù)學(xué)表述上都是一樣的。所以說，高維空間作為代數(shù)對(duì)象很容易理解。

二，什么是四維時(shí)空？

四維時(shí)空的第四維，不是左右、上下、前后之外的第四個(gè)空間方向，而是時(shí)間。更專業(yè)一點(diǎn)的說法，是“虛時(shí)間”，即虛數(shù)單位i（-1的平方根）乘以時(shí)間。

為什么會(huì)出現(xiàn)這么一個(gè)概念？這是因?yàn)樵谙鄬?duì)論中，用(x, y, z, t)這四個(gè)數(shù)標(biāo)記一個(gè)在t時(shí)刻發(fā)生在(x, y, z)這一點(diǎn)的事件，這個(gè)事件的這個(gè)時(shí)空坐標(biāo)當(dāng)然跟坐標(biāo)系有關(guān)，但兩個(gè)事件之間的下列關(guān)系卻跟坐標(biāo)系無關(guān)：d^2 = (x1 - x2)^2 + (y1- y2)^2 + (z1- z2)^2 - (ct)^2。注意最后一個(gè)平方之前是減號(hào)，c是光速（大約30萬(wàn)公里每秒）。

想一下，在三維空間中我們是怎么定義距離的？?jī)蓚€(gè)點(diǎn)(x1, y1, z1)和(x2, y2, z2)之間的距離，即d = sqrt[(x1 - x2)^2 + (y1- y2)^2 + (z1- z2)^2]。如果你改變?cè)c(diǎn)或者改變坐標(biāo)軸的方向，就可以改變這兩個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，但是它們之間的距離不會(huì)變。因此，把某個(gè)坐標(biāo)軸叫做x軸，把另一個(gè)坐標(biāo)軸叫做y軸等等，完全是隨意的，做一下坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)就可以把它們混合在一起。真正重要的是它們的整體，而不是其中單獨(dú)一個(gè)。

根據(jù)同樣的思想，我們立刻就可以理解，相對(duì)論中的那個(gè)不變量說明空間跟時(shí)間沒有絕對(duì)的區(qū)別，它們之間的關(guān)系就像三維坐標(biāo)系中x軸、y軸、z軸的關(guān)系一樣，純粹是人為選定的，換一個(gè)坐標(biāo)系就可能混合在一起。因此，在相對(duì)論中真正重要的，既不是時(shí)間，也不是空間，而是兩者組合成的“時(shí)空”。

唯一看起來有點(diǎn)麻煩的是，(ct)^2前面是個(gè)減號(hào)。沒關(guān)系，我們用一下虛數(shù)單位i就行?，F(xiàn)在，每一個(gè)事件都可以用(x, y, z, ict)這一組坐標(biāo)來表示，兩個(gè)事件之間的“距離”d = sqrt[(x1 - x2)^2 + (y1- y2)^2 + (z1- z2)^2 + (ict1 - ict2)^2]跟坐標(biāo)系的選擇無關(guān)。

相對(duì)論時(shí)空

最后強(qiáng)調(diào)一下，四維空間和四維時(shí)空的區(qū)別是什么？

四維空間是一個(gè)數(shù)學(xué)概念，并不描述現(xiàn)實(shí)的物理世界。而四維時(shí)空，卻正是對(duì)現(xiàn)實(shí)物理世界的描述，物理學(xué)家都在用它！