Was ist der Unterschied zwischen dreidimensionalem und vierdimensionalem Raum? Wie ist es zu verstehen? Existiert höherdimensionaler Raum wirklich?

Diese Frage ist eigentlich ganz einfach. Der dreidimensionale Raum hat drei Dimensionen und der vierdimensionale Raum fügt dem dreidimensionalen Raum eine zusätzliche Dimension hinzu.

Aber diese hinzugefügte Dimension ist die räumliche Dimension, nicht die zeitliche Dimension. Einige Freunde betrachten die vierdimensionale Raumzeit als vierdimensionalen Raum, was falsch ist. Die vierdimensionale Raumzeit ist ein dreidimensionaler Raum plus eine eindimensionale Zeitachse und gehört dennoch zum dreidimensionalen Raum.

Die Welt, in der wir leben, ist eine vierdimensionale Raumzeit

Da der Mensch im dreidimensionalen Raum lebt, oder besser gesagt in der vierdimensionalen Raumzeit, fällt es uns leicht, unseren eigenen Raum zu verstehen. Das heißt, alles, was wir sehen, ist dreidimensional, mit den drei Dimensionen Länge, Breite und Höhe, und die Zeitachse verläuft eindimensional vorwärts, was bedeutet, dass sie nicht anhält und nie wieder zurückkehrt.

In Einsteins Relativitätstheorie sind Raum, Zeit und Materie eins. Sie werden gleichzeitig geboren und sterben und können nicht unabhängig voneinander existieren. Da der Raum der Behälter der Materie ist, gäbe es ohne diesen Behälter keine Materie. und Materie ist der Inhalt des Raumes, ohne diesen Inhalt gäbe es keinen Bedarf an Raum; Zeit ist das Maß für die Bewegung und Veränderung von Materie im Raum. Materie und Raum verändern sich ständig, und alles bewegt sich von der Geburt bis zum Tod vorwärts. Ohne Zeit symbolisiert sie daher, dass alles zum Stillstand kommt und zu nichts führt.

Doch Zeit ist ein imaginärer Wert, der nur in der Veränderung der Dinge existiert. Es kann nur verstanden, aber nicht in Worte gefasst werden, aber es existiert objektiv. Wenn es auf dieser Welt andere Zivilisationen gibt, können die Methoden zur Zeitmessung unterschiedlich sein. Beispielsweise unterteilen Menschen die Zeit in Stunden, Minuten, Sekunden, Tage, Monate und Jahre. Wenn es andere Zivilisationen gibt, werden sie die Zeit nicht auf diese Weise einteilen. Dies ist die subjektive Natur der Zeit. Der Zerfallsvorgang aller Materie und aller Atomteilchen auf der Welt sowie die Naturgesetze sind jedoch dieselben, was die Objektivität der Existenz der Zeit begründet.

Der dreidimensionale Raum, auch als vierdimensionale Raumzeit bekannt, ist der niedrigste Breitengrad, der die reale Welt bildet, in der wir existieren. Durch Hinzufügen einer weiteren Dimension zu dieser Dimension entsteht der vierdimensionale Raum und die fünfdimensionale Raumzeit. Niemand hat je gesehen, wie diese Art von Raumzeit aussieht, daher ergibt sie nur aus mathematischen Gründen einen Sinn und ist für den Menschen nicht zu verstehen.

Mathematisches Verständnis des Raumes

Die Nulldimension ist ein Punkt. Dieser Punkt hat keine Länge, Breite oder Höhe. Es handelt sich lediglich um eine virtuelle Position, die in unserem Raum und unserer Zeit nicht wirklich existiert. Das ist ein bisschen wie die Singularität vor dem Urknall oder das Zentrum eines Schwarzen Lochs, unendlich klein, unermesslich klein; Eine Dimension ist eine Linie zwischen zwei Nulldimensionen, die ebenfalls kein Volumen und keine Fläche hat, also keine Länge, Breite oder Höhe, und weder gesehen noch berührt werden kann.

Zwei Dimensionen haben eine Bedeutung, es gibt eine Ebene, das heißt, es gibt zwei Dimensionen Länge und Breite, aber keine Höhe (das heißt Dicke). Wenn Sie es also von einer Ebene aus betrachten, können Sie diese zweidimensionale Ebene sehen, aber wenn Sie es von der Seite betrachten, ist sie auch verschwunden.

Manche Menschen stellen sich Lebewesen vor, die im zweidimensionalen Raum existieren. Sie existieren auf einer Ebene, die zugleich eine Ebene ohne Dicke ist. Solange Sie einen Kreis um sie zeichnen, können sie ihn nicht überqueren, auch wenn der Kreis keine Breite hat. Dreidimensionale Lebewesen (also wir) können sie jedoch problemlos fangen und aus dem Kreis werfen. Dann werden die zweidimensionalen Kreaturen im Kreis spüren, dass ihre Gefährten auf unerklärliche Weise verschwunden sind und werden die Götter anbeten.

Daher sind dreidimensionale Kreaturen die Götter zweidimensionaler Kreaturen. Tatsächlich können zweidimensionale Lebewesen ihre eigene Art überhaupt nicht sehen, da sie nur ein Liniensegment sehen und weder dessen Seite noch Rückseite. Tatsächlich sind bei einem zweidimensionalen Lebewesen ohne Dicke nicht einmal Liniensegmente zu erkennen. Manche Menschen glauben auch, dass zweidimensionale Lebewesen keine inneren Organe oder ein Verdauungssystem haben können, also keinen Darm, der Nahrung aufnimmt und ausscheidet, denn wenn sie welche hätten, würde dieser Darm, da er keine Dicke hat, den Körper in zwei Hälften teilen.

Manche Menschen betrachten Ameisen auch als zweidimensionale Lebewesen. Tatsächlich ist das völlig falsch. Obwohl Ameisen klein sind, haben sie Volumen. Sogar Bakterien haben dreidimensionale Ausmaße. Daher ist alles, was wir in dieser Welt kennen, sogar ein Atom, ein Elektron oder ein Photon, ein dreidimensionales Objekt.

Der dreidimensionale Raum ist der Raum, in dem wir existieren. Das ist leicht zu verstehen. Es hat die Achsen Länge, Breite und Höhe, die auch oben und unten (Höhe), Norden und Süden (Breitengrad) und Osten und Westen (Längengrad) genannt werden können. Diese drei Richtungspaare stehen im rechten Winkel zueinander und werden allgemein als x-, y- und z-Koordinatenachsen bezeichnet.

Der vierdimensionale Raum ist sicherlich nicht die vierdimensionale Raumzeit, sondern eine zusätzliche Raumachse, die dem dreidimensionalen Raum hinzugefügt wird und üblicherweise als W-Achse bezeichnet wird und senkrecht zu den Koordinatenachsen x, y und z steht. Das ist schwer vorstellbar, genauso wie ein Mensch zwei Hände hat. Wo soll man die andere Hand hinlegen? Auf dem Rücken oder unter dem Schritt? Die mathematische Beschreibung besagt, dass diese zusätzliche Richtung jenseits der Richtungen liegt, die wir in der dreidimensionalen Welt beobachten.

Es sollte darauf hingewiesen werden, dass jeder Raum eine Zeitachse hat, sodass der vierdimensionale Raum eigentlich eine fünfdimensionale Raumzeit ist. Daher werde ich später nicht näher auf den zeitlichen Ablauf eingehen, sondern ihn nur aus räumlicher Perspektive erläutern.

Die Fantasie des vierdimensionalen Raums

Da wir uns in unserem dreidimensionalen Raum befinden, können wir nicht wirklich erfahren, wie der vierdimensionale Raum ist. Wir können nur sagen, dass es eine Illusion ist.

Um in unserem dreidimensionalen Raum einen bestimmten Punkt im Raum zu erreichen, können wir dies erreichen, indem wir uns vorwärts, rückwärts, aufwärts und abwärts bewegen. Mit anderen Worten: Wir benötigen nur drei Richtungsgrößen, um jeden beliebigen Punkt im Raum zu erreichen. In gewissem Sinne wird der dreidimensionale Raum durch unzählige zweidimensionale Räume aufgebaut.

Theoretisch besteht der vierdimensionale Raum aus unzähligen dreidimensionalen Räumen. Sie müssen sich in vier verschiedene Richtungen bewegen, um einen beliebigen Punkt in diesem Raum zu erreichen. Diese Art von Raum ist schwer zu verstehen. Der Schlüssel liegt darin, dass wir uns zusätzlich zu Länge, Breite und Höhe, oder anders ausgedrückt, zusätzlich zu Höhe, Breite und Länge, also oben und unten, Norden und Süden, Osten und Westen, auch entlang eines Paars neuer Richtungen bewegen müssen. In unserem dreidimensionalen Raum und unserer dreidimensionalen Zeit können wir diese neue Richtung weder sehen noch uns vorstellen.

Aber es gibt einige Menschen, die unbezwingbar sind und versuchen, sich vorzustellen, wie der vierdimensionale Raum aussieht. Das bekannteste ist das „Klein-Flaschen“-Prinzip. Diese imaginäre Flasche wurde 1882 vom berühmten Mathematiker Felix Klein erfunden.

Der Aufbau einer Kleinschen Flasche lässt sich wie folgt beschreiben: eine Flasche mit einem Loch am Boden, wobei der Flaschenhals verlängert, ins Flascheninnere gedreht und mit dem Loch am Boden verbunden ist. Auf diese Weise hat die Flasche weder Innen noch Außen und keine Kanten, sodass eine Ameise an jede beliebige Stelle innerhalb oder außerhalb der Flasche kriechen kann.

Tatsächlich kann in der dreidimensionalen Welt jedoch niemals eine echte Kleinsche Flasche hergestellt werden. Denn auch in der dreidimensionalen Welt gibt es ein Innen und ein Außen, und nur durch das Freilassen eines Lochs im Verbindungskanal zwischen Flaschenhals und Flaschenboden gelangt man ins Flascheninnere. Daher kann es kein Objekt im vierdimensionalen Raum sein.

Mein Verständnis des vierdimensionalen Raums ist, dass unsere Welt eine Kugel ist und wir innerhalb dieser Kugel leben. Der vierdimensionale Raum ist eine zusätzliche Dimension, die an einer für uns nicht erkennbaren Position innerhalb oder außerhalb der Kugel hinzugefügt wird. Es ist wie eine unsichtbare Hand, die uns jederzeit aus dieser ursprünglich geschlossenen Sphäre aus dem dreidimensionalen Raum herausreißen kann, so wie wir Lebewesen im zweidimensionalen Raum greifen und uns plötzlich in der Sphäre verschwinden lassen. Unserer Meinung nach kann dies, abgesehen von Magie, nur ein Gott tun.

In seinem Meisterwerk „Die drei Körper“ beschrieb der Science-Fiction-Meister Liu Cixin den vierdimensionalen Raum folgendermaßen: Das Betreten des vierdimensionalen Raums ist, als würde man die zweidimensionale Welt aus dem dreidimensionalen Raum betrachten. Alle Lebewesen dort sind auf den ersten Blick zu erkennen, sie selbst können sich jedoch nicht sehen. Wir, die wir im dreidimensionalen Raum leben, können nicht in uns selbst sehen, aber Lebewesen im vierdimensionalen Raum können alles im dreidimensionalen Raum sehen. Vorne, hinten, links, rechts, innen und außen, Entwicklung und Wandel, Vergangenheit und Zukunft – alles auf einen Blick. Sogar die inneren Organe, der Blutfluss und die Körperzellen sind deutlich und ohne Grenzen sichtbar. Wir können die Hand ausstrecken, alles berühren und herausnehmen, was wir wollen.

Im amerikanischen Science-Fiction-Film „Interstellar“ gerät der Astronaut Cooper in eine fünfdimensionale Raumzeit. Eine Hochzivilisation konstruiert für ihn eine vierdimensionale Raumzeit aus unzähligen übereinanderliegenden und sich verändernden Würfeln. In verschiedenen Fenstern dieser Boxen kann Cooper seine Tochter von der Kindheit bis zum Erwachsenenalter auf der Erde sehen und schließlich durch die Schwerkraft mit seiner Tochter kommunizieren und ihr die Formel zur Rettung der Erde senden.

Das Erstaunliche ist, dass diese Art der Kommunikation bereits stattfand, als ich noch auf der Erde war. Meine Tochter war sich einiger übernatürlicher Phänomene bewusst, hatte sie jedoch noch nicht mitgeteilt. Dies bedeutet, dass in der fünfdimensionalen Raumzeit die Zeit keine Ordnung hat und jedes Segment abgefangen werden kann.

Coopers Tochter wurde zu einer der führenden Wissenschaftlerinnen der Welt. Sie nutzte die Formel, die Cooper ihr aus der fünfdimensionalen Welt gesandt hatte, um die bedrohte Menschheit wieder zum Leben zu erwecken. Doch aufgrund der Schwerkraft des Schwarzen Lochs entsprach Coopers eine Stunde auf Millers Planeten sieben Jahren auf der Erde. Als er zur Erde zurückkehrte, war seine Tochter sehr alt und lag im Sterben.

Dies ist das menschliche Verständnis des vierdimensionalen Raums. Ist es zuverlässig? Ich denke nicht, der reale vierdimensionale Raum ist in unserer Welt unvorstellbar, genauso wie sich Lebewesen im zweidimensionalen Raum unseren dreidimensionalen Raum nicht vorstellen können.

Wie viele Dimensionen hat unsere Welt?

Es ist seit langem bekannt, dass wir im dreidimensionalen Raum und in der vierdimensionalen Raumzeit existieren. Einige Theorien gehen jedoch davon aus, dass das Universum ursprünglich zehndimensional war, also einen neundimensionalen Raum und eine eindimensionale Zeit hatte, dass sich nun aber sechs dieser Dimensionen zusammengerollt und zu einem für uns unsichtbaren Raum zusammengeschrumpft haben, sodass nur noch der dreidimensionale Raum und die eindimensionale Zeit übrig geblieben sind.

Dies ist die sogenannte Stringtheorie oder ihre erweiterte Version, die Superstringtheorie. Diese Theorie besagt, dass alle subatomaren Teilchen keine kleinen Punkte, sondern Fäden ähnlich wie Gummibänder sind. Diese Saiten sind sehr klein und linear. Einige haben Endpunkte, die als „offene Saiten“ bezeichnet werden, und einige sind geschlossene Kreise, die als „geschlossene Saiten“ bezeichnet werden. Diese Saiten vibrieren kontinuierlich und unterschiedliche Vibrationsmodi erzeugen unterschiedliche Partikel.

Im Jahr 1926 versuchte der deutsche mathematische Physiker Theodore Kaluza, der vierdimensionalen Raumzeit eine räumliche Dimension, auch Extradimension genannt, hinzuzufügen, wodurch die Raumzeit fünfdimensional wurde. Anschließend schrieb er Einsteins Feldgleichungen um, um die beiden damals bekannten Grundkräfte – die elektromagnetische Kraft und die Gravitationskraft – in einer Gleichung zu vereinen.

Spätere Untersuchungen legten nahe, dass mindestens 10 Dimensionen oder 6 zusätzliche Dimensionen erforderlich sind, um einen theoretischen Rahmen zu schaffen. Dieser Rahmen wird wahrscheinlich das Problem der Integration der vier Grundkräfte Gravitation, Elektromagnetismus, starke Kraft und schwache Kraft lösen, das heißt, die Gravitationstheorie von Einsteins Relativitätstheorie mit der Quantenmechanik vereinbar machen. Es handelt sich um die vielversprechendste Theorie zur Erreichung einer großen Vereinheitlichung.

Bei einigen Experimenten, etwa dem am Fermi National Accelerator Laboratory in den USA, wo der MiniBooNE-Detektor zur Emission eines Myon-Neutrinostrahls verwendet wurde, waren die aufgetretenen Phänomene völlig im Einklang mit dem Modell der Stringtheorie. Daher sind viele Wissenschaftler derzeit voller Interesse und Erwartungen an die Stringtheorie und hoffen, dass es in naher Zukunft zu einem neuen Durchbruch im Verständnis des Universums kommen wird.

Die Stringtheorie ist sehr tiefgründig und kompliziert. Ich kenne nur die Grundlagen durchs Studium. Freunde, die an vertieftem Lernen interessiert sind, können Informationen sammeln und diese langsam studieren. Dies ist reine Wissenschaft, daher werde ich nicht ins Detail gehen.

Kurz gesagt: Die Hinzufügung zusätzlicher Raumdimensionen ist in unserer realen Welt schwer zu verstehen und es gibt noch keine abschließende Schlussfolgerung darüber, ob sie existiert oder nicht. Es genügt uns, es grob zu verstehen. Da es sich um eine populärwissenschaftliche Wissenschaft handelt, besteht kein Grund, davon besessen zu sein oder sich eingehend damit zu befassen. Was denken Sie? Willkommen zur Diskussion, danke fürs Lesen.

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