【菜科解读】

一个圆点无法代表实际性的物件，二维平面却也没办法展示物体的全貌，三维结构完成了世界的描述，那么4维空间应该如何表示呢？

这个问题直到20世纪初才完成了初步的阐述，但更多的是通过数学语言来表达4维空间的状态。

该学术问题后来也完善了爱因斯坦的相对论，但作为爱因斯坦的导师，德国数学家赫尔曼·闵可夫斯基对高维空间的理论解析让他在数学界有着举足轻重的地位。

但在此之前，没人知道4维空间长啥样，其实严格来讲，现在也一样。

不过有了数学的描述和模型的理解，如今我们可以从3维世界推演出4维空间在3维世界的投影，正如我们在画纸上画画一样。

不过要想证明4维的存在，闵可夫斯基可是费了不少力气。

这里我们不对狭义相对论作出太多的讨论，直接来看看德国的这位数学奇才是如何证明4维空间的。

闵可夫斯基和他的空间研究

闵可夫斯基时空

闵可夫斯基时空需要运用到洛伦兹变换，考虑到适当的时间和长度收缩问题，而主要的解决工具为闵可夫斯基图。

从数学结构上看，闵可夫斯基度量及派生量还有群论，作为狭义相对论假设结果的时空流形上看，时空区间表示不变性，因为弯曲的时空是局部洛伦兹的。

洛伦兹变换

不管是洛伦兹变换还是狭义相对论，两者都提出了绝对时空的概念，对事实的观察取决于观察者的参考体系，因此闵可夫斯基时空在数学中的表达也同样有时空的不变性。

但是由于区间的不变性，任何向量的分类在所有通过洛伦兹变换相关的参考系中都是相同的。

闵可夫斯基图的变换

所以闵可夫斯基的空间事件会有各种不同的向量集合，以此表示该事件的光锥。

时间的方向、空间变化使得闵可夫斯基时空在四个集合中有着不同的集合。

时空几何上，闵可夫斯基空间在时间方面存在非常重要的区别。

3D空间中，闵可夫斯基时空有一个额外的维度，其坐标Xº源自时间，从而使距离微分满足公式。

这也是后来我们所说的，在4维空间中会有一个时间参考。

相关研究完善了后来的狭义相对论

但这里需要明白的是，时间的存在并不是我们一般意义上理解的时间。

通常来讲我们所使用的时间是空间中的绝对时间，但闵可夫斯基时空在狭义相对论可以表示为任何惯性参考系观察时空间隔的不变性。

不同速度的变化

即任何两个事件之间的4D距离，闵可夫斯基时空存在的这种旋转对称性表达了4维空间中的变化。

相比之下，四维空间的时间作为了额外坐标轴，并与其他三个坐标轴正交。

从数学的几何学结构上来看，闵可夫斯基时空以双曲线旋转保留关于曲线的正交性，而欧几里得图则是通过旋转保持正交性。

欧几里得图与闵可夫斯基图的比较

而这便是闵可夫斯基时空中的双曲正交性，后来在狭义相对论里用来定义同时事件的概念。

通过各种数学方式的表现，闵可夫斯基证明了4维空间的表现形式，尽管这和一般物理时空表述不太一样，然而相对论的应用验证了闵可夫斯基时空的正确性。

时空膨胀带来的观察变化

4维空间应该是什么样子？

由于加入了额外的自由度，因此四维空间中的几何会比三维空间中的几何更加复杂。

在三维世界中，一个圆可以被挤压成圆柱体，而在4维世界中，会出现好几种不同的圆柱状物体。

最好的证明图样便是克莱因瓶，三维中曲线可以形成结，但曲面就不行，除非它们自相交。

不过到了4维空间，曲线的变化形式可以通过在第四个方向上移动来轻松解开，2D表面可以在4D空间中形成。

克莱因瓶的变化

那么对于人类来讲，4维空间应该是什么样子呢？而进入到4维空间的人又会变成什么样子？

通过想象和维度类比，我们最常用的方式便是通过投影来表达高维世界，不过进入到4维空间后，一切都会变得不一样。

四维空间设想图

三维世界的我们可以很容易地在脑海中想象出不同3个维度的物理形象，要理解4维我们便可以运用到闵可夫斯基时空中的变化。

不过四个维度上，每个坐标轴都会有一个正方体，因此4个维度乘以2个面，每8个面形成一个表面。

红色为添加维度的正方体

由于维度的增加和运动的变化，4维空间中结构会随着观察者的角度不同发生各种形态上的变化，以人类的视觉来看，没人清楚在这个空间中的物体的真实形态究竟是怎样的。

如果还是无法很好地理解在4维空间里究竟发生了什么，那么看看下面这张图就明白了。

双眼对焦此图，你会发现……

由于人类所生活的世界是3维结构，因此我们没办法去真正地认识4维空间，只能从数学图形上去理解，即便如此，仍然会有很多无法理解的结构。

如果正在幻想着进入4维空间的人，现实的情况很可能会非常复杂，因为进入4维空间的人会迅速死去。

4维空间下的3维生物

从克莱因瓶我们就能看出3维世界的东西在4维空间是不存在的。

进入4维空间后，所有物质的原子结构都会变得不同，原子轨道将会容纳更多电子。

所以在这个维度中，部分金属元素会变成气体，例如镁。

同样地，我们的身体也会发生非常奇怪的变化，身体中所依赖的大部分元素由于空间维度的变化，3维空间中能够正常运作的功能在这里会失效。

理论上来讲，人会在4维空间中被分解，假设这时人能活着，那么我们可能会看见各个身体碎片在4维空间中运动。

进入4维空间的人可能是这样

事实上，3维空间的生物在4维空间里是没有任何意义的。

举个非常简单的例子，画家能够在一张纸上面画出非常真实的人像或者动物，然而2维结构却没办法表现出它们的内脏器官。

因此，2维世界中只存在表面，2维中没有里和外的概念。

所以，2维中的物体如果能够通过某种方式进入到3维世界中，由于没有三维的支撑，那么它们也会崩溃。

类似的概念以人为例子，由于进入4维后，我们没有4维的手、脚，以及躯体，那么来自任何一个方向的变化都能够摧毁人体。

面对空间的复杂变化，闵可夫斯基时空给出了一个合理的解释，并用数学语言来表述，这在20世纪是十分伟大的。

也正是闵可夫斯基的研究，让人们认识到时间和空间是一个时空连续体，并在4维中耦合在一起。

不过这样一位数学界的奇才和大师却没能逃离病痛，就在闵可夫斯基44岁的时候，由于阑尾炎的发作让他不得不面对死亡。

由于当时的医疗水平还不够发达，手术治疗无法解决阑尾炎问题，后来他在1909年便离开了人世。

不过他的学生爱因斯坦却很好地将闵可夫斯基时空带入了自己的理论中，这也是他的伟大之处，集百家之长最后得到了相对论。

或许现实就如同4维空间一般，我们永远也不清楚下一个方向的变化会是什么样子。

木星是气态行星，如果把木星上的气体全部吹走，会结果

木星是一颗巨大的气态行星，其质量约为地球的318倍，体积更是高达地球的1300多倍，在太阳系八大行星中，木星是绝对的“老大”，这使得我们人类对这颗巨大的行星格外关注，关于木星的各种稀奇古怪的问题也层出不穷。

比如说有人就提出了这样一个问题：既然木星是气态行星，那如果把木星上的气体全部吹走，会有什么结果呢？下面我们就来讨论一下。

首先要讲的是，所谓的气态行星并不是指全部是由气体构成的行星，而是指不以岩石或者其他类型的固体为主要成分、没有确定的固态表面的行星，也就是说，气态行星也是可以拥有固态核心的。

那么木星到底有没有固态核心呢？其实这个问题的答案也是科学家们很想知道的。

尽管以人类当前的科技水平，暂时还不能直接进入到木星深处去直接探索，但通过探测器在木星附近收集到的数据，我们还是可以间接猜测出木星的内部结构。

如上图所示，在探测器飞越木星的过程中，其发出的无线电信号会因为木星的引力变化而出现细微的多普勒频移，通过大量对照探测器的实际轨道和理论轨道的差异，就可以构建出木星的重力场模型，进而猜测出木星内部的质量分布。

科学家根据“先驱者10号”、“旅行者1号”、“旅行者2号”、“伽利略号”、“朱诺号”等多个探测器传回的数据猜测出，木星很可能存在一个由重元素构成的固态内核，其质量在地球的12倍至45倍之间注：这里的重元素是指比氢和氦更重的元素。

因此科学界普遍认为，木星应该有一个致密的固态核心，其外包裹着大量的氢和氦注：木星主要由氢和氦构成，其中氦占其质量的大约4分之1，其他的绝大部分都是氢。

由于随着深度的增加，木星上的物质会逐渐变得更热、也更致密，因此木星的结构应该是：最外层是气态的氢和氦，当深度增加到一定程度时，氢和氦就以液态存在，而在更深的位置，极端的压强会将氢原子中的电子“挤”出来，使得它们像金属一样可以导电，这种状态的氢也被称为“金属氢”，在此之下就是木星的固态核心大概如下图所示。

据此我们可以得出，木星上层的气体一旦消失，木星上的那些原来处于高压状态下的液态氢、液态氦以及“金属氢”都会因为失压而转变成气体，在这种情况下，如果把木星上的气体全部吹走，其结果就是木星会失去几乎所有的氢和氦，只剩下一个比原来小得多的固态核心。

值得一提的是，虽然我们人类目前并没有能力把像木星这样的气态行星上的气体全部吹走，但宇宙中那些能量巨大的太阳却可以做到。

从理论上来讲，假如一颗气态行星与其主太阳的距离太近，它的气体就会被主太阳不断地剥离，久而久之，这颗气态行星就会只剩下一个固态核心如果它有的话，科学家给这种奇特的天体起了一个奥秘的名字——“冥府行星”Chthonian planet。

有意思的是，我们有可能已经发现了一颗“冥府行星”。

这颗星球被命名为“TOI-849b”，距离地球大约730光年，由“凌星系外行星巡天卫星”TESS于2020发现，其主太阳被命名为“TOI-849”，是一颗与太阳相似的黄矮星。

观测数据表明，“TOI-849b”的体积与我们太阳系中的海王星差不多，但它的质量却大约是海王星的2.3倍，地球的39.1倍，密度约为5.2克/立方厘米，与像地球这样的岩石行星相当。

另一方面来讲，“TOI-849b”距离它的主太阳非常近，以至于其表面温度可以高达1530摄氏度左右，并且大约每18个小时，它就会完成一次公转。

所以我们可以做一个合理的猜测，“TOI-849b”曾经是一颗与木星相似的气态行星，后来因为某种原因迁徙到了距离其主太阳非常近的轨道，在此之后，它的气体就持续地被主太阳“吹”走，最终演化成了一颗“冥府行星”，而这也很可能就是木星上的气体被全部吹走后的结果。

好了，今天我们就先讲到这里，欢迎大家关注我们，我们下次再见。

既然木星是气态行星，那么人类发射的航天器能不能直接穿过木星

行星是天体的一类，是指自身不发光，同时围绕太阳做周期性公转运动的天体，通常可以分为行星、矮行星和小行星。

比如在太阳系内，水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星就是属于行星，而冥王星，则和谷神星、阋神星、鸟神星等一起属于矮行星。

穿越木星在太阳系内，位于火星和木星轨道之间还存在着数以十万计的小行星，我们称为小行星带。

当然，我们人类最为关注的还是八大行星，我们根据八大行星的物理性状可以分为两类，一类是和地球一样具有固体表面，岩石行星，称为类地行星，包括水星、金星和火星。

太阳系示意图另外一类就是和木星一样，是有气体来组成的行星，在太阳系内包括木星、土星、天王星和海王星，这些行星和类地行星来比，通常具有体积和质量更大，但是由于是气体组成，所以往往平均密度较小。

那么，既然木星是气态行星，那么我们人类发射的航天器，包括宇宙探测器，或者将来有可能发射的宇宙飞船，能不能直接穿过木星？太阳系八大行星目前来看，人类发射的航天器很难穿越木星，我们这里假设我们从木星的中心穿过。

虽然木星是一颗气态行星，那只是表明木星的主要组成成分是气体，主要是氢和氦，从木星的结构来看，最外面是包围整个木星的大气层，充满着气体，而且在不停的运动之中，形成气体旋涡，比如著名的“大红斑”。

木星南极洲而在木星大气层之下，随着越往木星内部，压力越来越大，气体被不断压缩，形成了液态金属氢，这需要的压力相当于25万个地球大气压，我们要用什么材料才干承受这种压力呢？如果再往木星内部前进，到了木星的中心，我们猜测虽然木星是一颗气态行星，但是其中心是有一个岩石核心，由硅酸盐和铁来组成。

所以在物体状态下，木星内部的高温、高压，以及岩石内核都不支持航天器穿越它。

木星内部结构木星在行星分类上，是一颗气态行星，但是这里的气态，并不是我们地球上所想象的像我们的大气层一样的气体。

我们知道，就算是地球上的大气层，当天宫一号从宇宙坠落，经过大气层时，也会因为剧烈摩擦而燃烧，更何况是更为稠密的木星大气层，所以，以目前的人类技术，别说穿越木星，连木星大气层这一关都过不了。

木星探测器“朱诺号”人类的认知是有限的，我们只能在现有的条件下进行假设，就像农业社会时期的人类，也无法想象现在的互联网时代。

那么，我们说无法穿越木星，也是基于当前的认知，说不定在将来，人类科技进步，就能实现。

朱诺号发射升空