三维空间与四维空间有啥区别，如何理解，高维空间真的存在吗？

这个问题其实很简单，就是三维空间有三个维度，四维空间在三维上再加一个额外维度。

但这个维加的是空间维，不是时间维。有些朋友把四维时空当作四维空间是错误的，四维时空就是在三维空间的基础上加上一维时间轴，还是属于三维空间。

我们所处的世界就是四维时空

因为人类在三维空间生活，也可以说在四维时空中生活，因此对自己的空间很好理解，就是我们看到的事物都是立体的，有长宽高三个维度，而时间轴贯穿其中，具有一维向前性，也就是不会停顿，一去不复返。

在爱因斯坦的相对论里，时空和物质是一体的，它们同时诞生，同时消亡，不会单独存在。因为空间是物质的容器，没有这个容器就没有物质；而物质是空间的内容，没有这个内容，就不需要空间；时间是物质在空间中运动变化的度量，物质和空间是不断变化的，任何事物都是从生到死一直向前的，因此，没有时间，象征着一切都将停顿，化为乌有。

但时间是虚数值，只存在于事物的变化里，只可意会，不可言传，但它确确实实的客观存在。如果这个世界还有其他不同文明，标度时间的方法就可能不一样，比如人类将时间分为时分秒、日月年，如果存在其他文明则不会这样划分，这是时间的主观性质；但世界上存在的一切物质、原子粒子的衰变过程，以及自然规律都是一样的，就是时间存在的客观性。

三维空间也就是四维时空，是构成我们存在的真实世界最低纬度，在这个维度上再加上一维就是四维空间五维时空。这种时空是什么样子，谁也没看过，因此只在数学上的意义，人类还无法理解。

数学对空间的理解

零维即一个点，这个点没有长宽高，只是一个虚位置，在我们时空中并不真实存在。这有点像宇宙大爆炸开始前，或者黑洞中心的奇点，无限小，无法衡量的小；一维就是在两个零维之间的一根连线，这根线同样没有体积也没有面积，也就是没有长宽高，看不见摸不着。

二维就有了意义，就有了一个平面，也就是有长和宽两个维度，但没有高度（也就是厚度），因此如果从平面看，可以看到这个二维平面，从侧面看就也是没有。

于是，就有一些人想象着二维空间存在的生物，它们存在于一个平面，自己也是一个没有厚度的平面，只要在它们周围画一个圈，哪怕这个圈没有任何厚度，它们也无法逾越。而三维生物（就是我们）却可以轻而易举将它们抓起来，丢到圈外，这样圈内的二维生物就会觉得同伴莫名其妙地消失了，就会膜拜大神。

因此三维生物就是二维生物的大神。事实上二维生物根本看不见同类的样子，因为它们看到的只是一个线段，无法看到其侧面或后面。实际上如果二维生物没有厚度，就连线段也看不到。还有人臆想，二维生物不可能有内脏或消化系统，也就是吃进去拉出来的那根肠子，因为如果有，由于没有厚度，这根肠子就会将身体裂为两半。

还有人把蚂蚁当作为二维生物。其实是大错特错的，蚂蚁虽小，也是有体积的，就是细菌也是有三维度量的。因此，只要是我们这个世界认识到的事物，就是一个原子、一个电子、一个光子也是三维物体。

三维空间就是我们存在的空间了，这个很好理解，就是有长宽高轴，也可以叫上下（高度），南北（纬度），东西（经度），这三对方向两两正交成为直角，一般把它们称为x、y、z坐标轴。

四维空间当然不是四维时空，而是在三维空间上加上一个额外的空间轴，通常称为w轴，这个轴垂直于x、y、z轴的坐标轴上。这一点很难想象，就像一个人有两只手，加上一只手加在哪里呢？是背上还是胯下？数学的描述是，这个额外的方向在我们所观察到的三维世界的方向以外。

需要指出的是，任何空间都有时间轴，因此四维空间实际上就是五维时空。因此后面就不赘述时间轴了，只从空间角度来阐述。

四维空间的幻想

因为在我们三维空间，无法真正的体验四维空间到底是个什么样子，只能说是幻想。

在我们三维空间，要达到空间某一点，我们可以通过向前、向后、向上下移动，就能实现，也就是说需要三个方向量就能达到空间任意一点。从某种意义上来说，三维空间是无数二维空间堆砌起来的。

理论上，四维空间是无数三维空间堆砌起来的，需要往四个不同方向移动，才能够到达这个空间中的任意一点，这种空间这个就很难理解了。关键是除了长宽高，也可以说是除了上下、南北、东西等高度、纬度、经度之外，还需要沿着一对新的方向移动，在我们三维时空来说，这个新方向我们不但无法看到，也无法想象。

但硬是有一些人不屈不挠地去想象四维空间是个啥样子，比较著名的就是“克莱因瓶”原理。这个想象中的瓶子是著名数学家菲利克斯·克莱因在1882年提出的。

克莱因瓶的结构可以描述为：一个底部有一个洞的瓶子，延长瓶子颈部，让其扭曲进入瓶子内部，并且与底部的洞连接。这样这个瓶子就没有内外之分，也没有边，一只蚂蚁就可以任意爬到瓶子内外每一个位置。

但实际上，在三维世界永远也做不出真正的克莱因瓶，在三维世界，它毕竟还是有内外之分，而且只有在瓶颈与瓶底的连接通道上留孔才能够到达瓶子里面，因此它不可能是一个四维空间的物体。

我对四维空间的理解是，我们世界是一个圆球，我们生活在圆球里面，四维空间是在圆球内外我们无法知道的位置增加的额外维度，就像一只看不见的手，随时可以从三维空间将我们抓出这个本来封闭的球，就像我们抓取二维空间生物一样，让我们在球体里突然消失，这在我们看来，除了魔术，只有大神才能够做到。

科幻大师刘慈欣在其大作《三体》中，对四维空间描述的大意是：进入四维空间就像三维空间看待二维世界，将那里的生物一览无遗，而它们自己是看不到自己的。三维空间的我们也无法看到自己内部，而四维空间的生物可以看到三维空间的一切，前后左右、里里外外、发展变化、过去未来都尽收眼底，就连身体里内脏、血流、细胞也清清楚楚，没有任何界限，可以任意伸手触摸，取出。

而在美国科幻片《星际穿越》中，宇航员库珀掉入一个五维时空中，高级文明为他构建了一个无数叠加变幻方组成的四维时空，在这些方框的不同窗口，库珀可以看到自己在地球的女儿从小到大各个时期，并通过引力效应与女儿最终达成了沟通，传送给了她拯救地球的公式。

奇妙的是，这种沟通早在自己还在地球时就已经发生，对一些灵异现象女儿有所察觉，只不过还没有沟通上。这就说明在五维时空，时间没有先后顺序，可以截取任意一段。

库珀的女儿长大后成为世界顶级科学家，用库珀从五维世界给她发来的公式，让濒临灭绝的人类重焕生机。但由于黑洞重力影响，库珀在米勒星球1个小时相当地球7年，等他回到地球，女儿已经老态龙钟进入弥留状态。

这些就是人类对四维空间的理解，靠谱吗？我认为不，真正的四维空间是在我们这个世界无法想象的，就像二维空间的生物无法想象我们三维空间一样。

我们世界到底有多少维度？

我们是三维空间四维时空的存在，这一点早就已经被人们熟知。但有些理论认为，宇宙本来是10维的，也就是9维空间1维时间，但现在这些维度有6维已经蜷缩了，缩小到我们看不见的空间里，只剩下三维空间一维时间了。

这就是所谓的弦理论或其升级版的超弦理论。这个理论认为，所有的亚原子粒子并非小点，而是类似于橡皮筋的弦，这些弦的尺度非常小，呈线状，有些有端点谓之“开弦”，有些是闭合的圈状谓之“闭合弦”。这些弦不停的振动运动，不同的振动运动方式就产生了不同的粒子。

1926年，德国数学物理学家西奥多·卡鲁扎试着在四维时空上添加一个空间维，也叫额外维度，让时空变成五维后，再将爱因斯坦场方程改写，就可以把当时已知的两种基本力，即电磁力和引力统一在一个方程中。

后来的研究认为，至少需要10个维度，也就是要有6个额外维度才能够建立起一个理论框架，而这个框架很可能解决引力、电磁力、强力、弱力等四种基本力的融合问题，也就是让爱因斯坦相对论的引力理论与量子力学兼容起来，是最有希望实现大统一的理论。

在一些实验中，如美国的费米国家加速器实验室，在观察MiniBooNE探测器发射μ中微子束的实验中，出现的现象完全符合弦理论模型，因此许多科学家现在对弦理论充满了兴趣和期待，希望在不久将来，能够对宇宙认识有一个新的突破。

弦理论很高深很复杂，俺也是通过学习才略知皮毛，有兴趣深入学习的朋友可搜集资料慢慢研究，这里只是常识性科普，就不多扯了。

总之，增加额外维度的空间在我们现实世界很难理解，存不存在也还没有定论，我们了解个大概就可以了，作为科普，没必要痴迷和深究。各位怎么看？欢迎讨论，感谢阅读。

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