二维空间的封闭是圆,三维是球,那四维是什么?

作者:  艺术剪     2022-05-22

答:四维空间对应超体,其中球对应超球体,立方体对应超立方体。

人类大脑能模拟三维空间中的复杂模型,但是要模拟四维空间就非常难,主要原因还是四维空间包含的信息太多,人类大脑难以处理,而且低维空间中难以展现高维空间的所有信息。

对于四维空间,我们能做的理解方式就是类比,用低维类比高维,从而推断出高维空间具有的性质,为了表现四维空间中的规律,我们需要对其进行降维处理,我们一步一步来。

数学是非常好的工具,可以帮助我们处理一切维度,数学中降维方式之一就是“投影”,本质上投影就是一种函数变换,把高维物体的某些信息放到低维中展现。

一维投影零维是点,点在N维空间中,就有N个变量来描述点的位置;一维是线,在数学中线是一组连续点坐标的集合,如果把一维的线投影到零维空间,就是一个点。

二维投影二维是面,在数学中,二维是无穷根线组成的面,面在一维中的投影是线。

三维投影三维是体,比如三维中的立方体,立方体在二维平面中的投影就比较复杂了,不同角度下的投影,会得到不同的形状,可以是矩形或者其他多边形。

如上图,无论在哪个角度,二维平面中的投影都只能是平面图形,每次投影得到的图形,只包含立方体的一部分信息;随着各个角度的变换,三维立方体的信息才会全部展现出来。

四维投影立方体对应超立方体,球体对应超球体,但是我们无法想象四维空间中的事物;不过我们类比以上投影,可以推测出,超立方体在三维空间中的投影具有以下性质:

(1)在三维空间中,超立方体的投影表现为三维立体图形;

(2)随着投影角度的变化,三维中的投影会出现不同的形态;

(3)最简单的三维投影图是立方体;

要根据以上性质去想象超立方体是很难的,上图展示的,就是超立方体在不同投影角度下的三维形态。超立方体包含的信息量,远远高于三维中的立方体。

高维投影人类无法想象高维事物,但是数学可以帮助我们理解高维事物的性质,比如著名的卡拉比-丘成桐空间,就是一个六维空间,这个六维空间在三维中的投影,可以用计算机模拟出来,如下图。

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谁说二维空间的封闭是个圆?千数个回答就没有指出题目的错误。零维是点,一维是线,或直线,或曲线,封闭起来是个环,这其中就包括圆,注意一维空间封闭才是圆。而二维空间就是个面,或者平面、或者曲面。封闭起来是个封闭曲面,这其中就包括球面。注意现在说的是球面,不是球,这个球面仍然是二维的。三维空间就是立体的,包括球体,它们没法再封闭,封闭起来还是三维立体。非要封闭,只能从大小两方面去考虑。往小了说,三维的能量利用某种机制封闭成有质量的物质;往大了说,整个三维空封闭成了整个静态宇宙,这是宇宙的形状。

至于四维空间能封闭成什么,连三维空间都无法封闭,更何况四维?说实话,所谓四维空间是不存在的,爱因斯坦和闵可夫斯基把时间看成是一维特殊的空间,认为宇宙是四维时空。看清了,是“四维时空”,而非“四维空间”,所谓四维或高维空间是人们对宇宙高维的一种抽象预期,实际上根本是不存在的。有人说四维空间封闭是超球体,这个超球体只在数学上存在,现实宇宙中是不会存在的。有人说克莱因瓶就是四维空间拓扑,

还有人说我们宇宙的所有三维物体就是四维空间的物体的投影,全是扯淡。实际上不但不存在四维等高维空间,也不存在所谓零维、一维和二维空间,因为点、线和面都是抽象的,否则再细的线也是立体的、有大小的。再薄的面也是立体的、有厚度的。世上根本不存在没有任何厚度的面和没有粗细的线,这只存在于数学上。

总之这个宇宙这个物质世界只是三维的空间、四维的时空,不会有其它的维,也不会封闭,即使封闭起来也是个三维立体。

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