中國的傳統(tǒng)繪畫作品大多以散點透視的技法呈現(xiàn)，比如齊白石先生畫的蝦，簡單的濃墨變化和纖細的蝦須交錯，讓人一眼就能看出這是只蝦。但是西方的繪畫利用焦點透視，追求空間感和立體感，他們通過明暗對比、近大遠小等方法，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，我們只是借這兩個畫面來對比二維和三維效果。其實人類目前所處的位置和環(huán)境，以及構(gòu)成整個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)學家卻證明了四維空間的存在。四維空間是什么？如果人類進入四維空間又會發(fā)生什么呢？

國畫看上去是扁平的二維線條

18世紀，數(shù)學家在研究力學的時候提出來N維空間概念。但當時的數(shù)學家對這種超出理解的概念還不能認同，很多人甚至反對和嘲笑建議把時間想象為第四維的達朗貝爾。直到數(shù)學家的不斷驗算證明了其正確性，這個概念才慢慢被大眾接受。

1998年，美國的《科學》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宇宙一共有11個維度。隨著論文中的內(nèi)容逐漸被證實，人們驚奇地發(fā)現(xiàn)，宇宙中卻是存在11個維度空間，但人類目前可以感知到的維度僅有5種，剩下的7個維度我們可能永遠也無法探知。

目前，人類對空間的概念主要有5個維度，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

零維是指一個點，我們?nèi)绻胍谝痪S運動，還沒有出發(fā)就已經(jīng)結(jié)束，因為它的起點就是終點。就像是線條由無數(shù)個點組成一樣，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點出發(fā)去另一個點，只要一個向量就可以了，因為我們可以通過伸縮抵達一維上的任意點。

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)成一個二維平面，至少需要兩個互不平行的向量來構(gòu)成這個平面。也就是說，我們想要從二維平面中的一個點走到另一個點，要先向一個方向運動，到一定位置后再轉(zhuǎn)向另一個方向才能抵達。

二維向三維轉(zhuǎn)變示意圖

三維是一個立體空間，在這個空間里，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。

如果想知道一個物體在三維空間的具體位置，至少需要x、y、z三個軸線坐標對其定位，也就是說想要在三維空間從一點到另一點至少需要三個向量。比如一只啄木鳥如果想從樹干中準確地捉出一只蟲子，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。

三維是一個立體空間

四維空間是一個時空概念，它在三維的基礎(chǔ)上增加了“時間”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個維度。

愛因斯坦在廣義相對論和狹義相對論中提到過一個“四維時空”，他說宇宙是由三維空間和一維時間組成的'四維時空’”，但這里的“四維時空”和我們所說的四維空間不是一個概念，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。在計算機繪制的圖形中，會使用深度緩沖來描繪Z軸。

而四維空間則需要四個向量才能抵達其中的一個點。所以四維空間被大家普遍認為是三維空間的堆積。想要從三維空間進入四維空間，必須要找到一個新的運動方向，這個方向不是三維中的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。一個二維圖形進入三維空間，就可以在立體空間里翻轉(zhuǎn)實現(xiàn)對稱。因此我們推測，如果一個三維的物品進入四維空間，是不是也可以通過某種方式實現(xiàn)軸對稱。

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

四維空間是一個時空概念

1826年9月，黎曼出生于德國一個名叫布雷瑟倫茨的小鎮(zhèn)，他的父親是當?shù)赜忻哪翈?，在其?個兄弟姐妹中，他排行第二。雖然他從小就是一個不善于表達、內(nèi)向的人，但他在獨處的時間里都在不斷學習。

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

數(shù)學家黎曼

1854年，他第一次公開演講，闡述自己在數(shù)學領(lǐng)域研究到的成果，演講的內(nèi)容是《論作為幾何學基礎(chǔ)的假設(shè)》。他認為，曲面不僅僅是一個二維圖形，更應(yīng)該是一個單獨的幾何實體，自此開創(chuàng)了黎曼幾何。也正是他的數(shù)學方面的研究，為愛因斯坦的廣義相對論提供了數(shù)學方面的支持。

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

數(shù)學天賦很高的黎曼

物體越重，造成的曲面越大，吸引的物體更多。但是因為宇宙中的其它物體都有自帶的初速度，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存在。后來，其他科學家根據(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“時間”維度

首先，如果一張紙上有兩個火柴人，他們看向?qū)Ψ街荒芸吹揭粋€個線段，因為他們沒有厚度。就像是一個人看向躺在自己身邊的人，因為沒有厚度起伏，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，因為它是平面，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可以支撐它的平面。二維的火柴人進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方向是封閉的，進入到三維空間后，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，二維火柴人因為沒有厚度，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，低維度空間的生命想要進入高維度空間可能會出現(xiàn)致命的危險，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。

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舉動，就會導致三維世界出現(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，沒有事實支撐，但現(xiàn)實中也有一些關(guān)于四維空間的傳說。

四維空間始終是個謎，所以很多人都會將一些神秘失蹤的事件，認定為：這些人在某種外力下，或者觸發(fā)了某個條件，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)斗機在執(zhí)行任務(wù)時鉆進了一朵云，但卻再也沒有出來。目擊者親眼所見，官方也對海域進行信號和飛機搜索，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始終沒能解開。

人們認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