问题

蚂蚁只能看到二维,人类三维而猫头鹰四维这个说法正确吗?人类怎样才能看到四维?

回答
我们对“维度”的理解误区,以及探索四维的可能性

关于蚂蚁只能看见二维,人类看见三维,猫头鹰看见四维的说法,其实是一个广为流传的误解,它将复杂的物理学概念简单化了,甚至有些扭曲。我们今天就来好好掰扯掰扯,看看这背后的真相,以及人类是否有机会“看见”四维。

维度到底是什么?

在物理学和数学中,维度指的是描述一个点的位置所必需的独立坐标的数量。

零维: 只有一个点,没有长度、宽度、高度。它不占据任何空间。
一维: 就像一条直线,你只需要一个坐标(比如长度)就可以确定直线上的任何一个点的位置。你可以沿着这条线前进或后退。
二维: 就像一张纸或者一块平坦的地面。你需要两个独立的坐标(比如长和宽)才能确定一个点的位置。你可以在这张纸上前进、后退、向左、向右。
三维: 这是我们日常生活中所处的空间。你需要三个独立的坐标(长、宽、高)来确定一个点的位置。我们可以在三维空间中前后、左右、上下移动。

蚂蚁、人类、猫头鹰真的“看见”不同维度吗?

蚂蚁和二维: 这是一个常见的比喻。如果一个蚂蚁只能在平面上移动,那么它的世界确实是二维的。它能感知“向前/向后”和“向左/向右”,但无法理解“向上/向下”的概念。如果一个平面上的生物要与这个二维世界的蚂蚁交流,它们只能在二维的平面上操作。然而,我们人类是生活在三维空间中的生物,即使我们观察一只生活在二维平面上的蚂蚁,我们也是在三维空间中进行观察。蚂蚁自身在三维空间中的存在,只是它活动的范围被限制在了二维平面上。所以,说蚂蚁“只能看到二维”是一种简化,更准确地说,是它的活动和感知被限制在了二维的环境中。

人类和三维: 这是正确的。我们人类拥有三维的身体和三维的感知能力。我们的眼睛可以接收来自不同方向的光线,大脑将这些信息整合起来,让我们能够感知到物体的长度、宽度和高度,从而在三维空间中导航和互动。

猫头鹰和四维: 这个说法是错误的。 猫头鹰和人类一样,都是生活在三维空间中的生物。它们拥有非常出色的视觉和听觉,这使得它们在三维空间中捕猎和活动效率极高,尤其是在光线昏暗的情况下。但它们并没有“看见”四维的能力。所谓“四维”通常指的是时间和空间维度相结合的四维时空。我们无法像感知长度、宽度、高度那样直接感知时间。

那什么是四维时空呢?

爱因斯坦的相对论告诉我们,宇宙不仅仅是三维的空间,它还有一个不可或缺的维度——时间。时间和空间是紧密联系在一起的,形成了一个统一的“四维时空”。

我们生活在四维时空中: 想象一下,任何一个事件的发生都需要三个空间坐标(在哪里)和一个时间坐标(什么时候)。例如,你在公园长椅上吃饭,这需要“公园的某个位置(长x宽x高)”和“中午12点”。所以,每一个事件都发生在四维时空中。
我们“感知”时间,但不像感知空间那样“看到”它: 我们能够感觉到时间的流逝,体验到“过去”、“现在”和“未来”。我们记得过去发生的事情,预判未来可能发生的事情。但我们无法像移动我们的身体一样在时间维度上自由移动,也无法像用眼睛看到物体一样“看到”时间本身。我们只能沿着时间轴单向前进。

人类怎样才能“看到”四维?

首先要明确一点,人类目前无法以直接感官的方式“看到”或“体验”第四个空间维度,如果它存在的话。 我们的大脑和生理结构是为三维空间演化的。

但是,我们可以通过理解和想象来“接近”四维的概念:

1. 数学和几何: 数学家可以通过纯粹的数学语言来描述和研究四维几何。比如,在四维空间中存在一个叫做“超立方体”(tesseract)的几何形状,它是立方体在更高维度上的延伸。虽然我们无法亲眼看见它,但数学家可以通过方程和图形投影来研究它的性质。

2. 类比和可视化: 这是最常见的帮助理解四维的方式。我们可以从低维度类比到高维度来理解。
一维生物与二维世界的类比: 想象一个生活在直线上的“点人”。他只能沿着直线前进或后退。如果一个二维的“圆人”出现在他的世界里,这个圆人可以出现在直线的“上方”或“下方”(对于点人来说是未知方向)。当圆人穿过直线时,点人只能看到直线上的一个“点”出现又消失。点人无法理解圆人的圆形外观,也无法理解“上下”这两个方向。
二维生物与三维世界的类比: 就像上面蚂蚁的例子,一个二维生物生活在平面上。如果一个三维物体(比如一个球)穿过这个二维平面,二维生物会看到平面上一个点出现,然后这个点变大成一个圆,圆再变小成一个点然后消失。它们无法理解球体的三维形态,也无法理解“上下”这两个我们熟悉的维度。
类比到三维生物与四维世界的想象: 以同样的逻辑,如果一个四维物体(比如超立方体)穿过我们的三维空间,我们可能会观察到三维的物体在我们眼前出现、变形,然后消失。我们看到的将是这个四维物体在我们三维空间中的“截面”或“投影”。这个截面可能会随着四维物体在我们三维空间中的“位置”而变化,比如看起来像一个立方体,然后变形,再变成另一个立方体。

3. 物理学理论:
弦理论: 一些现代物理学理论,如弦理论,就提出了宇宙可能存在十一个维度的空间。这些额外的维度被认为是“卷曲”在极小的尺度上,所以我们无法直接感知。科学家们希望通过大型粒子对撞机等实验来间接探测这些额外维度的存在。
时空穿行(想象): 如果我们能以某种方式自由地在时间维度上移动,那么我们就能够“看到”过去和未来,或者说“体验”到四维时空。但这目前只存在于科幻小说和理论推测中。

总结一下:

蚂蚁“只能看到二维”是一种对环境限制的简化比喻,不是它们真正拥有二维的视觉器官。
人类是三维生物,我们感知和生活在三维空间中。
猫头鹰和人类一样,也是三维生物,它们并不“看见”四维。
四维通常指的是“四维时空”,即三维空间加上时间维度。
人类无法直接用感官“看到”第四个空间维度(如果存在),但可以通过数学、类比想象、以及物理学理论来研究和理解它。我们对时间的感知是单向的,不同于对空间维度的直接体验。

探索维度的概念,尤其是四维,是人类认识宇宙深层奥秘的重要途径,它挑战着我们日常的直觉,也激发着我们无穷的想象力。

网友意见

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民科可以看到四十二维

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先问是不是,再问为什么。

以前还只有蚂蚁这个说法,“蚂蚁是二维生物”已经够/*友善度*/的了,不知道哪个民科又加了个更/*友善度*/的“猫头鹰可以看见四维”。民科已经毁了我忍受/*友善度*/的能力,我一定要回答这个问题,没人赞也要答。

中国的科普就是这样,喜欢把一切童话化、智障化。科普是让你把科学说得让普通人能听懂,不是让你把科学说得智障儿童也能听懂。再说,维度的概念很复杂吗?有这么难理解吗?有必要用“蚂蚁”、“猫头鹰”打比方吗?你怎么不加几个“小熊猫”、“小狗狗”、“小猫咪”角色呢,多可爱呀,孩子多喜欢呀。

MDZZ

把蚂蚁说成二维生物是一个非常非常蹩脚的比喻,这种比喻最开始由谁发明我不知道(不是大刘),不过这个出于科普目的的比喻简直过大于功。

理解维度很简单啊,零维就是没有大小的点,一维就是没有粗细的线,二维就是没有厚度的面,三维就是我们生活的世界。

在一个N维世界中,要确定一个点需要N个坐标。如果只给你经度和纬度,你能在地球上确定一个点吗?不能,因为你还不知道海拔。所以我们的世界是三维的。

为什么有人要强行把蚂蚁说成是二维生物?因为出于拍脑袋得出的结论,有人认为蚂蚁抬不起头,没有高度概念,所以把蚂蚁比作二维生物。(蚂蚁:腻个呱匹,烙子亿薛死咋告滴?)

那么,这种比喻对科普有什么危害?请听题:把一条一米长的纸带(应评论要求,将纸带改成二维空间)头尾粘在一起做成莫比乌斯环,再放一个二维生物上去。让这个二维生物一直往前走的话,它要走多久才会回到原地呢?

被蚂蚁比喻严重误导的人会回答:“两米,因为二维生物走了一米后会来到出发地的背面,要再走一米才能回到原处。”

正确答案:一米

因为这个蹩脚的比喻,很多人现在还没有在潜意识里接受:二维生物其实只能生活在平面内,不能生活在平面“上”。

总而言之,蚂蚁也好,人也好,猫头鹰也好,都是标准的三维生物。目前人类没有发现不是三维的生物(确实是不得不说的废话)。

那二维生物应该长什么样?应该长这样:

(图片来自网络,出处为《平面宇宙:与二维世界的一次亲密接触》,答主手头有这本实体书,有人有兴趣的话我可以再拍点二维住宅和城市什么的插图)

如果是二维生物,那我们身为三维生物应该可以看到他身体展开的每一个“剖面”(其实是剖线),而二维生物的视野只是一个环,他们看到的所有事物都是长短不一的线段。

蚂蚁呢?人家蚂蚁可是实实在在的三维身体结构,有长有宽有高的;人家蚂蚁的视力虽然弱,但也能跟人一样看到的是二维画面,不像二维生物的眼睛只能看见一维画面。

诸位科普作者:如果你们以后需要一个二维生物角色,放过蚂蚁吧,随便创造一个名叫“小江”、“小华”的二维生物吧。



那么什么是四维?推导一下,无限个二维空间在垂直于该空间的方向上无限重复,即可得到三维。

那么,无限个三维空间在垂直于该空间的方向上无限重复,即可得到四维。想象不出来?想象不出来就对了,我们的视网膜是二维(应某钻牛角尖的人,改为“我们视网膜成的像是二维的”,下同)的,这就注定了我们想象不出来四维空间,你要是能想象出来你就成神了。好比一个二维生物,他可以用他“视网弦”上的线段拼凑出一个二维场景,但你打死他他都想象不出来三维。

也别以为自己看个《星际穿越》就知道四维空间(电影中的五维是包含了时间的)长啥样了,你看到的顶多就是四维在三维中的投影。好比你把手指伸进一个二维空间,那么二维生物就会发现自己的世界凭空出现了一个“肉片”,这个“肉片”就是你在二维中的投影,这个二维生物要是敢宣布:“我看到三维物体了!”,你一定会呵呵。

假如一个四维生物在你的空间外看你,他就能看到你全身所有内脏甚至身体的所有剖面图。不管是横剖的还是纵剖的还是斜剖的,他都一览无余,就像你看二维生物那样。

如果他想调戏你,把自己的手指伸进你的空间,你就会发现你面前凭空出现了一个肉块,从点开始像气球一样膨胀到一定程度。然后你对着这个小肉球惊喜大呼:“我看见四维物体了!”,外面那位四维生物一定会呵呵。

至于为什么说猫头鹰能看见四维?抱歉,不知道,我实在揣摩不出来这位民科这样比喻的用意,我也实在看不出猫头鹰和四维有什么关系。可能他觉得猫头鹰脖子好厉害好棒棒,于是就给了他能看见四维的技能吧?



*P.S.下面有其他答主提到《三体》。其实吧我算是三体铁粉,但我回答这个问题时没有用《三体》中对高维的描述。为什么?因为BUG太明显……按照大刘的说法,二维生物进入三维空间后可以一览自己之前待的二维空间,能像三维生物看二维那样看到所有细节——然而二维生物即使进入三维空间,也改变不了他只有“视网弦”的事实,他看到的依然是一条线,只是这线形视野会变得很奇怪而已。三维生物进入四维空间同理。



**P.S.(10-22更新)我以前只知道知乎全是年薪五十万985毕业或留学归来的职场成功人士,现在才知道原来知乎还有这么多科学界人士诶:

嗯……我该说什么呢?

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