深度科普：四维空间到底什么样？与三维空间有什么区别？

简单来讲，在四维空间中，我们能容纳的远不止三维世界所能触及。平凡人用四维空间去构想奇异的神鬼故事；作家们则用它来铺展科幻的奇思妙想；而科学家们，他们将四维乃至更高维的空间，作为承载地球上已被揭示的自然法则的框架。

四维空间的定义是什么呢？

如果在空间中一点可以延伸出四个正交的直线，那么这样的空间即为四维空间。

然而，就我们日常生活中的认识而言，在一点上只能延伸出三个正交的直线，原因在于我们所居住的三维空间限制。

我们难以构想，在三维空间之外，还有另一维度与它们正交。

因此，目前的情况表明，四维空间是基于数学推理的假想空间，同样适用于其他高维空间，我们无法确认它们的存在，也无法进行实验验证。

拥有额外的一维，四维空间比三维空间具备更广泛的包容性。

以一个例子来说明，在面积固定的二维平面上，如果物品堆积如山，要再增加物品，只能向上堆叠，因此三维空间在体积上“超越”二维空间。

因此，高维空间比低维空间能容纳更多内容。

高维空间暗示着，从一处到另一处，存在更多可能的移动路径。

例如，在三维空间中，从A点至B点，行进路径不仅限于二维平面内的路线，还包括通过第三维度的空间移动。

因此，在四维空间中行走，就如同在我们的三维世界中消失，随即在另一地点突然出现。

利用四维空间，可以折叠三维空间，从而实现时空穿越。

如同把一张纸上的两点通过折叠使之重合，所有关于虫洞的理论都能借助四维空间进行解释。

当然，上述的一切仅是理论推测，既无法证实也无法证伪。并且，这些优势都是基于我们的想象，实际上，物理学中的高维空间蜷缩在普朗克尺度（10^-35米）内，对我们的现实生活毫无影响。

最先将四维物体形象化的是辛顿。他发明了一种新的立方体，即辛顿立方体，它可以视为一个四维物体在三维空间内的投影。

1909年，《科学美国人》杂志举办的一场竞赛，要求给出四维的准确通俗解释，让辛顿名声大噪，成为公认的首位使四维物体形象化的人。

辛顿将存在于四维空间的立方体命名为超立方体。

超立方体与三维立方体的主要区别在于，超立方体的每一个面都是一个三维的立方体。

辛顿通过“点线面体超体”的思路推演出了超立方体的形象概念。

最早的四维空间认知可追溯到1854年，黎曼在哥廷根大学的著名演讲《论几何的基础》中撼动了欧几里得几何的地位，使黎曼几何成为一种全球范围内流行的几何学，并开启了高维空间的探讨。黎曼是首位将力视为空间扭曲结果的人。

自此，四维空间观念席卷全球，至1910年，神秘的四维已成众人皆知的话题。

目前，除了我们居住的三维空间外，其他维度空间主要停留在数学概念层面。

爱因斯坦将时间视为第四维，这算是一个特例，因为时间是一个单向维度，与空间维度有显著不同。

但爱因斯坦将时间纳入四维，为物理学的发展开辟了新方向。

有科学家发现，引入高维空间后，自然法则的描述变得简单，某些看似不相容的理论得以合并，并通过几何方式得到解释。

最早意识到这点的是卡鲁扎，这位名不见经传的数学家，通过第五维统一了爱因斯坦的引力场方程和麦克斯韦方程，随后发展为卡鲁扎-克莱茵理论。而弦理论则运用了26维空间，统一了基于量子力学的“标准模型”和爱因斯坦的相对论。

因此，前沿理论物理学几乎都以高维空间观念来统一原有的自然法则。因为在三维空间中，这些法则无法兼容，甚至存在矛盾，但将它们置于高维空间，利用其中的超对称性，则可以实现统一。

总结

可以说，三维空间是我们生活的环境，在这一空间，科学家们发现了描述自然现象的各种物理法则。

而人们逐渐发现，这些不同的法则在某些情况下是可以合并的，即能够统一表述。因此，物理学家们认为，我们世界中的所有自然法则最终应该能够统一于一个大统一理论。

例如，四维空间能够描述量子的奇妙运动；“标准模型”中的粒子也能在高维空间中得到简化的统一描述；弦理论能够推导出爱因斯坦的方程。

似乎所有的自然法则都能在高维空间中得到统一。为了追求这个大统一理论，为了使物理法则的描述更为简洁，甚至将不同的理论进行统一阐述，物理学才引入了高维空间，因为仅在高维空间下，这些物理法则才能被更简明地描述和统一。