Câu hỏi này thực ra rất đơn giản. Không gian ba chiều có ba chiều, và không gian bốn chiều bổ sung thêm một chiều vào không gian ba chiều.
Nhưng chiều không gian được thêm vào này là chiều không gian, không phải chiều thời gian. Một số bạn coi không gian-thời gian bốn chiều là không gian bốn chiều, điều này là sai. Không gian-thời gian bốn chiều là không gian ba chiều cộng với trục thời gian một chiều, và nó vẫn thuộc về không gian ba chiều.
Thế giới chúng ta đang sống là không gian-thời gian bốn chiều
Bởi vì con người sống trong không gian ba chiều, hay chúng ta có thể nói trong không gian-thời gian bốn chiều, nên chúng ta dễ dàng hiểu được không gian của chính mình. Nghĩa là mọi thứ chúng ta nhìn thấy đều là ba chiều, với ba chiều dài, rộng và cao, và trục thời gian chạy qua nó theo hướng một chiều về phía trước, nghĩa là nó sẽ không dừng lại và không bao giờ quay trở lại.
Trong thuyết tương đối của Einstein, không gian, thời gian và vật chất là một. Chúng sinh ra và chết đi cùng lúc và không thể tồn tại độc lập. Vì không gian là vật chứa vật chất, nếu không có vật chứa này thì sẽ không có vật chất; và vật chất là nội dung của không gian, nếu không có nội dung này, sẽ không cần đến không gian; thời gian là thước đo chuyển động và thay đổi của vật chất trong không gian, vật chất và không gian liên tục thay đổi, và mọi thứ đều chuyển động từ khi sinh ra đến khi chết, do đó, nếu không có thời gian, nó tượng trưng cho việc mọi thứ sẽ dừng lại và trở nên hư vô.
Nhưng thời gian là một giá trị tưởng tượng chỉ tồn tại trong sự thay đổi của vạn vật. Nó chỉ có thể được hiểu chứ không thể diễn đạt bằng lời, nhưng nó tồn tại một cách khách quan. Nếu có những nền văn minh khác nhau trên thế giới này thì phương pháp đo thời gian có thể sẽ khác. Ví dụ, con người chia thời gian thành giờ, phút, giây, ngày, tháng và năm. Nếu có những nền văn minh khác, họ sẽ không phân chia thời gian theo cách này. Đây là bản chất chủ quan của thời gian. Tuy nhiên, quá trình phân rã của mọi vật chất và hạt nguyên tử trên thế giới, cũng như các quy luật của tự nhiên đều giống nhau, đó chính là tính khách quan của sự tồn tại của thời gian.
Không gian ba chiều, còn được gọi là không-thời gian bốn chiều, là vĩ độ thấp nhất cấu thành nên thế giới thực mà chúng ta tồn tại. Thêm một chiều vào chiều này tạo nên không gian bốn chiều và không gian-thời gian năm chiều. Chưa ai từng nhìn thấy không-thời gian này trông như thế nào, nên nó chỉ có ý nghĩa toán học và con người không thể hiểu được.
Hiểu biết toán học về không gian
Không có chiều nào là một điểm. Điểm này không có chiều dài, chiều rộng hoặc chiều cao. Đó chỉ là một vị trí ảo và không thực sự tồn tại trong không gian và thời gian của chúng ta. Điều này hơi giống với điểm kỳ dị trước Vụ nổ lớn, hay trung tâm của một lỗ đen, vô cùng nhỏ, nhỏ đến mức không thể đo lường được; một chiều là đường thẳng nằm giữa hai chiều không, cũng không có thể tích và diện tích, tức là không có chiều dài, chiều rộng hoặc chiều cao, và không thể nhìn thấy hoặc chạm vào.
Hai chiều có ý nghĩa, có mặt phẳng, tức là có hai chiều dài và chiều rộng, nhưng không có chiều cao (tức là độ dày). Do đó, nếu bạn nhìn nó từ một mặt phẳng, bạn có thể thấy mặt phẳng hai chiều này, nhưng nếu bạn nhìn nó từ bên cạnh, nó cũng biến mất.
Vì vậy, một số người tưởng tượng ra những sinh vật tồn tại trong không gian hai chiều. Chúng tồn tại trên một mặt phẳng, mà mặt phẳng này cũng là mặt phẳng không có độ dày. Chỉ cần bạn vẽ một vòng tròn xung quanh chúng, ngay cả khi vòng tròn không có độ dày, chúng cũng không thể vượt qua được. Tuy nhiên, những sinh vật ba chiều (tức là chúng ta) có thể dễ dàng bắt được chúng và ném chúng ra khỏi vòng tròn. Khi đó, những sinh vật hai chiều trong vòng tròn sẽ cảm thấy rằng bạn đồng hành của mình đã biến mất một cách khó hiểu và sẽ tôn thờ các vị thần.
Vì vậy, sinh vật ba chiều là thần của sinh vật hai chiều. Trên thực tế, các sinh vật hai chiều không thể nhìn thấy đồng loại của mình vì tất cả những gì chúng nhìn thấy chỉ là một đoạn thẳng và không thể nhìn thấy mặt bên hoặc mặt sau của đoạn thẳng đó. Trên thực tế, nếu một sinh vật hai chiều không có độ dày thì ngay cả các đoạn thẳng cũng không thể nhìn thấy được. Một số người còn tưởng tượng rằng các sinh vật hai chiều không thể có nội tạng hoặc hệ tiêu hóa, tức là ruột tiếp nhận và bài tiết thức ăn, vì nếu có, do chúng không có độ dày nên ruột này sẽ chia đôi cơ thể.
Một số người còn coi kiến là loài sinh vật hai chiều. Trên thực tế, điều này hoàn toàn sai. Mặc dù kiến nhỏ nhưng chúng có thể tích lớn. Ngay cả vi khuẩn cũng có kích thước ba chiều. Do đó, bất cứ thứ gì chúng ta biết trên thế giới này, ngay cả một nguyên tử, một electron hay một photon, đều là vật thể ba chiều.
Không gian ba chiều là không gian mà chúng ta tồn tại. Điều này rất dễ hiểu. Nó có các trục chiều dài, chiều rộng và chiều cao, cũng có thể được gọi là trên và dưới (độ cao), bắc và nam (vĩ độ), và đông và tây (kinh độ). Ba cặp hướng này vuông góc với nhau và thường được gọi là trục tọa độ x, y và z.
Không gian bốn chiều chắc chắn không phải là không-thời gian bốn chiều, mà là một trục không gian bổ sung vào không gian ba chiều, thường được gọi là trục w, vuông góc với các trục tọa độ x, y và z. Điều này thật khó tưởng tượng, giống như một người có hai bàn tay, bạn nên thêm bàn tay còn lại vào đâu? Ở lưng hay dưới đáy quần? Mô tả toán học cho thấy hướng bổ sung này nằm ngoài các hướng mà chúng ta quan sát được trong thế giới ba chiều.
Cần lưu ý rằng bất kỳ không gian nào cũng có trục thời gian, do đó không gian bốn chiều thực chất là không gian-thời gian năm chiều. Do đó, tôi sẽ không đi sâu vào chi tiết về dòng thời gian sau mà chỉ giải thích nó theo góc nhìn không gian.
Sự tưởng tượng về không gian bốn chiều
Vì chúng ta đang ở trong không gian ba chiều nên chúng ta không thể thực sự trải nghiệm được không gian bốn chiều như thế nào. Chúng ta chỉ có thể nói rằng đó là ảo ảnh.
Trong không gian ba chiều, để đến một điểm nhất định trong không gian, chúng ta có thể đạt được điều đó bằng cách di chuyển về phía trước, phía sau, lên và xuống. Nói cách khác, chúng ta chỉ cần ba đại lượng định hướng để đến bất kỳ điểm nào trong không gian. Theo một nghĩa nào đó, không gian ba chiều được xây dựng từ vô số không gian hai chiều.
Về mặt lý thuyết, không gian bốn chiều được tạo thành từ vô số không gian ba chiều. Bạn cần di chuyển theo bốn hướng khác nhau để đến bất kỳ điểm nào trong không gian này. Loại không gian này thật khó hiểu. Điều quan trọng là ngoài chiều dài, chiều rộng và chiều cao, hay nói cách khác, ngoài chiều cao, vĩ độ và kinh độ như trên và dưới, bắc và nam, đông và tây, chúng ta cũng cần di chuyển theo một cặp hướng mới. Trong không gian và thời gian ba chiều, chúng ta không thể nhìn thấy hoặc tưởng tượng ra hướng đi mới này.
Nhưng cũng có một số người không hề nao núng và cố gắng tưởng tượng không gian bốn chiều trông như thế nào. Nguyên lý nổi tiếng nhất là nguyên lý "chai Klein". Chiếc bình tưởng tượng này được nhà toán học nổi tiếng Felix Klein nghĩ ra vào năm 1882.
Cấu trúc của chai Klein có thể được mô tả như sau: một chai có một lỗ ở đáy, cổ chai mở rộng, xoắn vào bên trong chai và được nối với lỗ ở đáy. Theo cách này, chiếc chai không có bên trong hay bên ngoài, và không có cạnh, vì vậy con kiến có thể bò đến bất kỳ vị trí nào bên trong hoặc bên ngoài chai.
Nhưng trên thực tế, không bao giờ có thể tạo ra được một chai Klein thực sự trong thế giới ba chiều. Rốt cuộc, trong thế giới ba chiều, nó vẫn có bên trong và bên ngoài, và chỉ bằng cách để lại một lỗ trên kênh kết nối giữa cổ chai và đáy chai, bạn mới có thể chạm tới bên trong chai. Do đó, nó không thể là một vật thể trong không gian bốn chiều.
Hiểu biết của tôi về không gian bốn chiều là thế giới của chúng ta là một hình cầu và chúng ta sống bên trong hình cầu đó. Không gian bốn chiều là một chiều bổ sung được thêm vào một vị trí bên trong hoặc bên ngoài hình cầu mà chúng ta không thể biết. Nó giống như một bàn tay vô hình có thể kéo chúng ta ra khỏi quả cầu ban đầu khép kín này trong không gian ba chiều bất cứ lúc nào, giống như chúng ta kéo những sinh vật trong không gian hai chiều và khiến chúng ta đột nhiên biến mất trong quả cầu. Theo chúng tôi, ngoài phép thuật ra, chỉ có thần linh mới có thể làm được điều này.
Trong kiệt tác "Bài toán ba thể", bậc thầy khoa học viễn tưởng Lưu Từ Tân đã mô tả không gian bốn chiều như sau: bước vào không gian bốn chiều cũng giống như nhìn vào thế giới hai chiều từ không gian ba chiều. Mọi sinh vật ở đó đều có thể nhìn thấy bằng mắt thường, nhưng bản thân chúng thì không thể nhìn thấy chính mình. Chúng ta sống trong không gian ba chiều không thể nhìn thấy bên trong mình, nhưng các sinh vật trong không gian bốn chiều có thể nhìn thấy mọi thứ trong không gian ba chiều. Trước, sau, trái, phải, trong và ngoài, phát triển và thay đổi, quá khứ và tương lai đều có thể nhìn thấy trong nháy mắt. Ngay cả các cơ quan nội tạng, dòng máu và các tế bào trong cơ thể đều có thể nhìn thấy rõ ràng, không có ranh giới nào. Chúng ta có thể với tay ra, chạm vào và lấy ra bất cứ thứ gì chúng ta muốn.
Trong bộ phim khoa học viễn tưởng Mỹ "Interstellar", phi hành gia Cooper rơi vào không gian thời gian năm chiều. Một nền văn minh tiên tiến xây dựng cho anh ta một không gian-thời gian bốn chiều bao gồm vô số khối lập phương chồng lên nhau và thay đổi. Trong những ô cửa sổ khác nhau của những chiếc hộp này, Cooper có thể nhìn thấy con gái mình trên Trái Đất từ thời thơ ấu đến khi trưởng thành, và cuối cùng giao tiếp với con gái mình thông qua hiệu ứng hấp dẫn và gửi cho cô bé công thức để cứu Trái Đất.
Điều đáng kinh ngạc là loại giao tiếp này đã xảy ra khi tôi còn ở trên Trái Đất. Con gái tôi đã biết về một số hiện tượng siêu nhiên, nhưng họ vẫn chưa nói cho tôi biết. Điều này có nghĩa là trong không gian-thời gian năm chiều, thời gian không có trật tự và bất kỳ đoạn nào cũng có thể bị chặn lại.
Con gái của Cooper lớn lên trở thành nhà khoa học hàng đầu thế giới. Cô đã sử dụng công thức mà Cooper gửi cho cô từ thế giới năm chiều để đưa loài người đang bị đe dọa trở lại cuộc sống. Nhưng do ảnh hưởng của lực hấp dẫn của hố đen nên một giờ của Cooper trên hành tinh của Miller tương đương với bảy năm trên Trái Đất. Khi ông trở về Trái Đất, con gái ông đã rất già và đang trong tình trạng hấp hối.
Đây là sự hiểu biết của con người về không gian bốn chiều. Có đáng tin cậy không? Tôi nghĩ là không, không gian bốn chiều thực sự là không thể tưởng tượng được trong thế giới của chúng ta, giống như các sinh vật trong không gian hai chiều không thể tưởng tượng được không gian ba chiều của chúng ta.
Thế giới của chúng ta có bao nhiêu chiều?
Từ lâu chúng ta đã biết rằng chúng ta tồn tại trong không gian ba chiều và không gian-thời gian bốn chiều. Nhưng một số lý thuyết cho rằng vũ trụ ban đầu có 10 chiều, tức là không gian 9 chiều và thời gian 1 chiều, nhưng hiện nay 6 chiều trong số này đã cuộn tròn lại và co lại thành một không gian mà chúng ta không thể nhìn thấy, chỉ còn lại không gian ba chiều và thời gian một chiều.
Đây chính là lý thuyết dây hoặc phiên bản nâng cấp của nó là lý thuyết siêu dây. Lý thuyết này cho rằng tất cả các hạt hạ nguyên tử không phải là những chấm nhỏ mà là những sợi dây giống như dây cao su. Những chuỗi này rất nhỏ và tuyến tính. Một số có điểm cuối, được gọi là "chuỗi mở", và một số là vòng tròn khép kín, được gọi là "chuỗi khép kín". Những sợi dây này rung liên tục và các chế độ rung khác nhau sẽ tạo ra các hạt khác nhau.
Năm 1926, nhà vật lý toán học người Đức Theodore Kaluza đã cố gắng thêm một chiều không gian, còn gọi là chiều bổ sung, vào không gian-thời gian bốn chiều, biến không gian-thời gian thành năm chiều. Sau đó, ông viết lại các phương trình trường của Einstein để thống nhất hai lực cơ bản được biết đến vào thời điểm đó, lực điện từ và lực hấp dẫn, thành một phương trình.
Các nghiên cứu sau này cho rằng cần ít nhất 10 chiều, hoặc 6 chiều bổ sung, để thiết lập một khuôn khổ lý thuyết, và khuôn khổ này có khả năng giải quyết vấn đề tích hợp bốn lực cơ bản là lực hấp dẫn, lực điện từ, lực mạnh và lực yếu, tức là làm cho thuyết hấp dẫn trong thuyết tương đối của Einstein tương thích với cơ học lượng tử. Đây là lý thuyết hứa hẹn nhất để đạt được sự thống nhất vĩ đại.
Trong một số thí nghiệm, chẳng hạn như thí nghiệm tại Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia Fermi ở Hoa Kỳ, nơi máy dò MiniBooNE được sử dụng để phát ra chùm neutrino muon, hiện tượng xuất hiện hoàn toàn phù hợp với mô hình lý thuyết dây. Vì vậy, nhiều nhà khoa học hiện nay rất quan tâm và kỳ vọng vào thuyết dây, hy vọng rằng trong tương lai gần sẽ có bước đột phá mới trong việc hiểu biết về vũ trụ.
Lý thuyết dây rất sâu sắc và phức tạp. Tôi chỉ biết những điều cơ bản thông qua việc học. Những người bạn quan tâm đến việc học sâu có thể thu thập thông tin và nghiên cứu từ từ. Đây chỉ là khoa học thông thường nên tôi sẽ không đi sâu vào chi tiết.
Tóm lại, việc bổ sung thêm các chiều không gian là điều khó hiểu trong thế giới thực của chúng ta và vẫn chưa có kết luận nào về việc nó có tồn tại hay không. Chúng ta chỉ cần hiểu sơ qua là đủ. Là một khoa học phổ thông, không cần phải ám ảnh hay đào sâu vào nó. Bạn nghĩ sao? Chào mừng bạn đến thảo luận, cảm ơn bạn đã đọc.
Bản quyền thuộc về Space-Time Communication. Vi phạm và đạo văn là hành vi phi đạo đức. Xin hãy hiểu và hợp tác.
