中國的傳統(tǒng)繪畫作品大多以散點(diǎn)透視的技法呈現(xiàn)，比如齊白石先生畫的蝦，簡單的濃墨變化和纖細(xì)的蝦須交錯(cuò)，讓人一眼就能看出這是只蝦。但是西方的繪畫利用焦點(diǎn)透視，追求空間感和立體感，他們通過明暗對比、近大遠(yuǎn)小等方法，盡可能地呈現(xiàn)出事物最逼真的狀態(tài)。

同樣是人物肖像，傳統(tǒng)國畫中的人物五官是線條和顏色的組合，而國外油畫人物肖像則會有面部陰影和高光，可以說國畫中的人物看起來是扁平的二維線條，而油畫中的人物則更接近生動的三維狀態(tài)。

兩種繪畫技巧都各自流傳了上百年，兩者之間沒有優(yōu)劣高低之分，我們只是借這兩個(gè)畫面來對比二維和三維效果。其實(shí)人類目前所處的位置和環(huán)境，以及構(gòu)成整個(gè)世界的各種生物在我們眼里都是三維的，但是德國的一位數(shù)學(xué)家卻證明了四維空間的存在。四維空間是什么？如果人類進(jìn)入四維空間又會發(fā)生什么呢？

國畫看上去是扁平的二維線條

18世紀(jì)，數(shù)學(xué)家在研究力學(xué)的時(shí)候提出來N維空間概念。但當(dāng)時(shí)的數(shù)學(xué)家對這種超出理解的概念還不能認(rèn)同，很多人甚至反對和嘲笑建議把時(shí)間想象為第四維的達(dá)朗貝爾。直到數(shù)學(xué)家的不斷驗(yàn)算證明了其正確性，這個(gè)概念才慢慢被大眾接受。

1998年，美國的《科學(xué)》雜質(zhì)首次發(fā)表了一片關(guān)于M理論的論文，論文闡述的意見說明我們整個(gè)宇宙一共有11個(gè)維度。隨著論文中的內(nèi)容逐漸被證實(shí)，人們驚奇地發(fā)現(xiàn)，宇宙中卻是存在11個(gè)維度空間，但人類目前可以感知到的維度僅有5種，剩下的7個(gè)維度我們可能永遠(yuǎn)也無法探知。

目前，人類對空間的概念主要有5個(gè)維度，從低維度到高維度分別是：零維、一維、二維、三維、四維。

人類對空間維度的概念示意圖

零維是指一個(gè)點(diǎn)，我們?nèi)绻胍谝痪S運(yùn)動，還沒有出發(fā)就已經(jīng)結(jié)束，因?yàn)樗钠瘘c(diǎn)就是終點(diǎn)。就像是線條由無數(shù)個(gè)點(diǎn)組成一樣，零維度是一維的組成部分。

一維的空間只有線條，而且只有長度。如果我們想要從一維的一個(gè)點(diǎn)出發(fā)去另一個(gè)點(diǎn)，只要一個(gè)向量就可以了，因?yàn)槲覀兛梢酝ㄟ^伸縮抵達(dá)一維上的任意點(diǎn)。

二維出現(xiàn)了長和寬，一般是說平面世界，長方形、正方形等這些扁平的圖案都是二維圖形。想要構(gòu)成一個(gè)二維平面，至少需要兩個(gè)互不平行的向量來構(gòu)成這個(gè)平面。也就是說，我們想要從二維平面中的一個(gè)點(diǎn)走到另一個(gè)點(diǎn)，要先向一個(gè)方向運(yùn)動，到一定位置后再轉(zhuǎn)向另一個(gè)方向才能抵達(dá)。

二維向三維轉(zhuǎn)變示意圖

三維是一個(gè)立體空間，在這個(gè)空間里，事物不僅有長、寬還有“厚度”，比如長方體、正方體就是有了厚度的長方形和正方形。我們現(xiàn)在生存的空間都是三維的立體空間。

如果想知道一個(gè)物體在三維空間的具體位置，至少需要x、y、z三個(gè)軸線坐標(biāo)對其定位，也就是說想要在三維空間從一點(diǎn)到另一點(diǎn)至少需要三個(gè)向量。比如一只啄木鳥如果想從樹干中準(zhǔn)確地捉出一只蟲子，至少要知道蟲子在樹干內(nèi)的高低位置、前后位置和深淺位置。

三維是一個(gè)立體空間

四維空間是一個(gè)時(shí)空概念，它在三維的基礎(chǔ)上增加了“時(shí)間”維度。四維空間也叫歐幾里得四維空間，是一種特殊的線性空間。它屬于數(shù)學(xué)概念，可以包含三維空間中的所有維度，甚至可以拓展到N個(gè)維度。

愛因斯坦在廣義相對論和狹義相對論中提到過一個(gè)“四維時(shí)空”，他說宇宙是由三維空間和一維時(shí)間組成的'四維時(shí)空’”，但這里的“四維時(shí)空”和我們所說的四維空間不是一個(gè)概念，二者之間也沒有因果關(guān)系。這兩種概念中的模型完全是兩個(gè)完全不同的結(jié)構(gòu)體。

四維空間具有正交性。在三維空間里，上下、左右和南北三對方向兩兩正交，也就是說，這三對方向中，每一對之間都成直角關(guān)系。

四維空間示意圖

如果想在二維空間畫出一個(gè)三維圖形，除了X和Y軸以外，還要增加Z軸來體現(xiàn)三維圖形的縱深感，也就是立體感。在計(jì)算機(jī)繪制的圖形中，會使用深度緩沖來描繪Z軸。

而四維空間則需要四個(gè)向量才能抵達(dá)其中的一個(gè)點(diǎn)。所以四維空間被大家普遍認(rèn)為是三維空間的堆積。想要從三維空間進(jìn)入四維空間，必須要找到一個(gè)新的運(yùn)動方向，這個(gè)方向不是三維中的X、Y、Z，不是我們常說的上下、左右和前后，而是一種突破三維空間的方向概念。

四維空間變化圖

人們認(rèn)為四維空間具有中心對稱性，但這一概念只是人們根據(jù)二維到三維的轉(zhuǎn)換得到的推理，并且在現(xiàn)階段還無法被證實(shí)。一個(gè)二維圖形進(jìn)入三維空間，就可以在立體空間里翻轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)對稱。因此我們推測，如果一個(gè)三維的物品進(jìn)入四維空間，是不是也可以通過某種方式實(shí)現(xiàn)軸對稱。

由于四維空間的想法實(shí)在太過先進(jìn)，很多人都對這個(gè)理念嗤之以鼻，直到德國數(shù)學(xué)家喬治·伯恩哈德·黎曼用數(shù)學(xué)公式證明了它確確實(shí)實(shí)存在，這才讓大家開始認(rèn)可和探索這一新的領(lǐng)域。

四維空間是一個(gè)時(shí)空概念

1826年9月，黎曼出生于德國一個(gè)名叫布雷瑟倫茨的小鎮(zhèn)，他的父親是當(dāng)?shù)赜忻哪翈煟谄渌?個(gè)兄弟姐妹中，他排行第二。雖然他從小就是一個(gè)不善于表達(dá)、內(nèi)向的人，但他在獨(dú)處的時(shí)間里都在不斷學(xué)習(xí)。

原本在父親的影響下，黎曼到哥廷根大學(xué)學(xué)習(xí)哲學(xué)和神學(xué)，也許順著這個(gè)專業(yè)畢業(yè)以后，他也會像父親一樣成為牧師。但是在上學(xué)的時(shí)候，他旁聽了一些數(shù)學(xué)講座，于是跟父親商量改學(xué)數(shù)學(xué)。于是在1847年，黎曼轉(zhuǎn)學(xué)去了柏林大學(xué)，連續(xù)兩年攻讀數(shù)學(xué)專業(yè)，然后在1851年重返哥廷根大學(xué)并獲得了博士學(xué)位。

數(shù)學(xué)家黎曼

1854年，他第一次公開演講，闡述自己在數(shù)學(xué)領(lǐng)域研究到的成果，演講的內(nèi)容是《論作為幾何學(xué)基礎(chǔ)的假設(shè)》。他認(rèn)為，曲面不僅僅是一個(gè)二維圖形，更應(yīng)該是一個(gè)單獨(dú)的幾何實(shí)體，自此開創(chuàng)了黎曼幾何。也正是他的數(shù)學(xué)方面的研究，為愛因斯坦的廣義相對論提供了數(shù)學(xué)方面的支持。

愛因斯坦在黎曼數(shù)學(xué)研究理論的支持下聯(lián)想到，宇宙中蘊(yùn)藏著的龐大數(shù)量的物質(zhì)把宇宙的中間壓出來一個(gè)凹面，所以空間出現(xiàn)扭曲，物質(zhì)之間的引力也是因?yàn)榭臻g扭曲導(dǎo)致物體向低洼處或者說是更重的物體滑落。

數(shù)學(xué)天賦很高的黎曼

物體越重，造成的曲面越大，吸引的物體更多。但是因?yàn)橛钪嬷械钠渌矬w都有自帶的初速度，所以輕的物體才沒有直接滑落到重的物體上，而是圍著重的物體不停旋轉(zhuǎn)。等到初速度被耗盡，就會滑落到重的物體之上。

愛因斯坦的相對論證明了黎曼幾何的正確，也證明了空間存在的扭曲，之后，黎曼發(fā)表了《論幾何基礎(chǔ)假說》，證明了四維空間的真實(shí)存在。后來，其他科學(xué)家根據(jù)他的啟發(fā)為四維空間構(gòu)建出了模型。所以四維空間能被證明存在全靠德國數(shù)學(xué)家黎曼的研究。

黎曼一生研究了很多東西

由于低維度和高維度空間存在著顛覆式的差異，所以我們很難想象三維的人類進(jìn)入四維的空間會發(fā)生什么樣的事情。不過我們可以嘗試從二維進(jìn)入三維開始想起。

由于組成生命的基本粒子都有厚度存在，即便是微小到肉眼難以看見，但它仍然具有厚度，所以有生命的物體都屬于三維空間。因此，我們可以推論出二維空間里沒有生命。如果我們想象一張紙上的火柴人有了生命會發(fā)生什么？

四維空間就是在三維空間的基礎(chǔ)上加了“時(shí)間”維度

首先，如果一張紙上有兩個(gè)火柴人，他們看向?qū)Ψ街荒芸吹揭粋€(gè)個(gè)線段，因?yàn)樗麄儧]有厚度。就像是一個(gè)人看向躺在自己身邊的人，因?yàn)闆]有厚度起伏，所以厚度曲線都被“壓縮”成了一條直線。

其次，如果一個(gè)二維的火柴人脫離了二維空間，來到了三維空間，它的身體會發(fā)生折疊，因?yàn)樗瞧矫?，所以無法在三維中站立。如果想讓一張紙站立，就必須將它折疊出一個(gè)可以支撐它的平面。二維的火柴人進(jìn)入三維的空間后身體折疊也是同樣的道理。

而且，二維空間的火柴人，它只有上下和左右兩個(gè)方向是封閉的，進(jìn)入到三維空間后，它的前后可以說是暴露在外。

二維空間的火柴人

比如火柴人還有一顆心臟，我們想要從二維空間拿到心臟，必須要突破它左右兩邊或者上下兩邊的線條，但在三維世界里，二維火柴人因?yàn)闆]有厚度，所以正面和背后空無一物，也許我們徒手就能拿到它的心臟。

因此，對于低維度空間而言，高維度空間是低維度空間的折疊和重復(fù)，低維度空間的生命想要進(jìn)入高維度空間可能會出現(xiàn)致命的危險(xiǎn)，類似于身體的內(nèi)臟直接暴露出來，或者為了立足高維度空間而“折疊”身體之類的危險(xiǎn)。

不過神秘的四維空間讓不少人神往不已，《三體》一書中就構(gòu)想了這樣一個(gè)情節(jié)：人類在星際戰(zhàn)爭中，為了躲避外星人的追殺，意外闖入了四維的空間里。

三維空間的火柴人示意圖

在這里，人類可以看到三維世界的發(fā)展和變化，但是自己卻完全不受影響。四維空間對于三維空間就像是上帝視角一般的存在。也許四維空間隨便一個(gè)舉動，就會導(dǎo)致三維世界出現(xiàn)崩塌。為了消除四維空間帶來的威脅，人類最終從四維空間內(nèi)部將其破壞。

小說畢竟是作家的腦洞，沒有事實(shí)支撐，但現(xiàn)實(shí)中也有一些關(guān)于四維空間的傳說。

四維空間始終是個(gè)謎，所以很多人都會將一些神秘失蹤的事件，認(rèn)定為：這些人在某種外力下，或者觸發(fā)了某個(gè)條件，突破三維空間，穿越到了神秘的四維空間里。

四維空間主題圖片

1960年，百慕大海域上方的5架戰(zhàn)斗機(jī)在執(zhí)行任務(wù)時(shí)鉆進(jìn)了一朵云，但卻再也沒有出來。目擊者親眼所見，官方也對海域進(jìn)行信號和飛機(jī)搜索，但它們就像憑空消失了一樣，完全找不到任何痕跡。

1968年，兩對夫妻分別駕車一前一后行駛在布宜諾斯艾利斯郊外的高速公路上，第一對夫妻率先駕車抵達(dá)市區(qū)，另一對夫妻卻連人帶車下落不明。多方徹底搜索都沒有找到他們。兩天后，第二對夫妻才被聯(lián)系到，他們表示自己開車過程中，突然身陷白霧昏迷不醒，再次醒來以后就到了6000公里外的墨西哥。這樣的神秘事件讓很多人聯(lián)想到了四維空間，但是四維空間的謎團(tuán)始終沒能解開。

人們認(rèn)為百慕大三角失蹤事件與四維空間有關(guān)

宇宙中不論從深度、廣度還是范圍來說，都是我們?nèi)祟惛F極好幾代都無法窺探全貌的存在，蘊(yùn)藏的秘密也不是我們目前能夠全部知曉乃至解開的存在。

但科技發(fā)展日新月異，人類對未知的探索也從未止步，相信在不久的將來，人類一定可以揭開四維空間的面紗，真正踏入四維空間甚至利用四維空間。

宇宙示意圖