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我們生活在三維世界里,人類的思維可不可算是第四維空間?

網(wǎng)友解答: 三維世界的意思是三維空間。三維空間的意思,僅僅是定義三維空間中某個點的位置,您需要三個變量。也就是眾所周知的長寬高。由于各種科幻小說和科幻電影中對高維空間的胡說八道,四維空間

網(wǎng)友解答:

三維世界的意思是三維空間。

三維空間的意思,僅僅是定義三維空間中某個點的位置,您需要三個變量。也就是眾所周知的長寬高。由于各種科幻小說和科幻電影中對高維空間的胡說八道,四維空間這個詞已經(jīng)完全成了一個腦洞詞匯,急需要正本清源。讓我們從最簡單的開始吧。

點是所有維度空間存在的基礎,不管是空間是幾維的,它都是由點組成。而您需要多少個變量來定義空間中點位置的唯一性,您就處在幾維空間中。

從零維到一維空間的飛躍

讓我們先來看零維空間,所謂零維空間就是有且只有一個點的空間,這個空間僅僅由一個點組成,它就沒有別的地方放下第二個點,因此你并不需要任何變量來指出這個點的位置在哪里,因為它的位置是唯一且絕對的。如果您能說出它在位置1處,就意味著有位置2,位置3等等,那么它就不再是零維空間了。

圖示:零維空間,唯一的一個點。

零維空間中的那個點,周圍沒有空白,它就沒有周圍這個詞可言。

現(xiàn)在讓數(shù)學之神,讓這個絕對的零點向不存在的周圍延伸出一條有限長度的線段,現(xiàn)在您就得到了一維空間。至于如何向不存在的周圍延伸,這事情我們暫時不考慮。您可以簡單的把它視作數(shù)學之神的神跡。每當我們擴張一個維度,您都需要一次數(shù)學之神的神跡。

圖示:一個簡單的線段。注意只有黑線部分才是存在的,黑線以外都是不存在的。

一維空間和零維空間的區(qū)別在于,現(xiàn)在空間中不止存在一個點,實際上它擁有無限多個點,而點和點的區(qū)別就在于它們距離零點的距離不同。要把它們彼此區(qū)別開,你需要使用一個變量,這個變量就是距離絕對零點有多遠。

要定義一維空間中的任何一個點,你只需要指出,它距離絕對零點有多遠就行,如果有兩個點,距離絕對零點的距離是完全一樣的,那么我們就可以認定這兩個點一定是重疊在一起,或者這兩個點就是同一個點。

如果您覺得一個長度有限的線段中,居然會有無限多個點,這事情不可思議。那么您可以這樣來想這個問題:

把數(shù)字1除2,得到一個新數(shù)字0.5,這數(shù)字表示的正是一個距離原點距離為o.5的點

再除2,于是得到0.25,這同樣表示一個新的點所在的位置

再除2,您會得到0.125,這又是一個新的點所在的位置

很明顯這三個點不是同一個點,因為它們距離原點的位置不同,并沒有重疊在一起。

而這個除2的過程,在數(shù)學上可以無限進行下去,所以,哪怕是長度為1的一個線段,在數(shù)學上也擁有無限多個點。

您得先理解這事兒,我們才能真的討論高維空間的事,否則就會陷入純粹的胡思亂想。

從零維到四維乃至更高維空間,其實同樣的邏輯在不停地重復應用的過程,只要您能理解從零維到一維的魔術般的戲法,那您才能理解數(shù)學上的四維空間究竟是什么意思。

讓我們來總結一下要點,當我們從零維進入一維空間后,最大的變化是,從一個點的世界,進入到一個擁有無限個點的世界,哪怕這個世界的長度是有限的。必須再次提醒注意,您不需要一條無限長的線,您就能擁有無限多個點。

注意,這當然是討論純數(shù)學,不是討論現(xiàn)實中的一根長度為一的棉線或其他什么線,哪些線都是是具體的物質(zhì)組成的,而具體的物質(zhì)則是有最小尺度的限制,不能像數(shù)學上這樣無限的除以2。

總之,最重要的地方,就是理解無限,每增加一個空間維度,在空間上就增加了一種無限!

從一維到二維空間的飛躍

圖示:一個二維的圓。

有限面積的二維平面,可以有各種幾何形狀,但為了方便理解,讓我們用圓來進行解釋,假設圓心就是零維空間的那個均對零點,那么如果只是用某個點到圓心的距離,是無法真的讓我們知道這個點到底在哪里,因為距離圓心相同距離的點,可以分布到一個圓環(huán)上,它們距離圓心的距離都是完全相等的。因此,要定義位于二維平面上某個點的特定位置,您需要兩個數(shù)字。

圖示:用極坐標定義平面上的某個點的特定位置

至于是哪兩個數(shù)字,這取決于您的坐標體系,您可以用它到圓心或原點的距離+加上角度;也可以使用直角坐標系,即長和寬的概念來解決這個問題,但總之您至少需要兩個數(shù)字,一個數(shù)字是無法精確定義的。

如果您已經(jīng)在前面搞明白了從零維到一維的變化,那么從一維到二維的變化,就好理解了。這一次數(shù)學之神繼續(xù)增加一種無限,二維空間由無限多條線組成??纯瓷蠄D的同心圓,按照同樣的道理,我們可以在數(shù)學之神的世界中,在一個有限面積的圓中畫出無限多個同心圓來,它們距離圓心的距離都是不同的。

從二維空間到三維空間的飛躍

圖示:既然我們生存在地球上,那就用一個球來代表三維空間吧。

同樣的道理,在三維空間中,定義球體中某個點的位置,您需要三個變量,比如,它到球心的距離,以及它的仰角和方位角,或者使用長寬高的概念來進行定義。

圖示:球坐標體系中用兩個角度加上到圓心的距離定義一個點的具體位置。這在球形空間中特別有用。

而從二維的圓到三維的球,數(shù)學之神又增加了一種無限,那就是一個體積有限的球體也是由無限個圓面組成的。我們可以用每一個圓面的圓心距離球心的位置來簡單定義一個圓面,而這個距離自然也是有無限多個,因此一個球體中有無限多個圓面。

從三維空間到四維空間

四維超球體,按照從零維的一個點,到三維的一個球,我們知道其變化就是,定義點所在的位置需要的變量數(shù)目從零個增加到三個,至于這三個變量怎么稱呼,以及用什么坐標系定義這些都是可以變化的,并不重要,只看哪種用起來方便罷了。

那么當我們從三維空間進入四維空間,在數(shù)學上并不復雜,那就是現(xiàn)在我們需要四個變量才能定義一個點在四維空間的位置,至于這四個變量叫什么名字其實并不重要。但如果我們只使用三個點來定義四維空間中某個點位置,那么我們就會遇到一個大麻煩。

圖示:四維超球體的三維投影

這就像在二維圓面中只用一個距離圓心的距離這樣的變量,去定義一個點,你將會得到無限多個滿足條件的點,這些點分布在一個圓環(huán)上。在三維球體中,如果你只用兩個變量去定義一個點,你將會得到無限多個點滿足這樣的定義,它們分布在一個圓面上;那么如果我們還是按照我們定義三維球體中點的方式,去定義四維球體中的點,那么同樣將會有無限多個點滿足我們的條件,并且所有這些點將分布在一個圓球中。

而就像從零維到三維的變化過程一樣,一個有限的四維超球體(把定義四維空間的四個變量相乘即可),也會在數(shù)學上擁有無限多個三維球體。

讓我們復習下。

零維 唯一的一個點

一維 擁有長度屬性,由一條線組成,具有無限多個點

二維 擁有面積屬性,具有無限多條線組成的面,具有無限多個點

三維 擁有體積屬性,由無限多個面組成了體,具有無限多個點

四維 擁有“超體”屬性,由無限多個體組成超體,具有無限多個點

最后,讓我們欣賞一下四維超幾何體的二維投影,雖然我們無法直觀的想象四維超幾何體的形狀,但我們卻可以通過數(shù)學變換,得到它們的降維投影,如果哪一天您在啥地方突然見到類似投影,說不定就是奇遇的開始呢*_*

圖示:記住這個圖案,這是四維超立方體的二維投影。


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網(wǎng)友解答:

不能脫離了時間去談論物理上的維度,不然的話,那和數(shù)學上干巴巴的四維空間沒兩樣了。愛因斯坦認為時間可以看成是一個維度,與(X、Y、Z)構成四維時空,即閔可夫斯基空間,也就是現(xiàn)在的宇宙模型。我們是三維生物,但是生活在四維的宇宙中。我們看不到、摸不到時間,但是它卻客觀存在。

其實維度這個東西,對于現(xiàn)在的物理學研究沒多大意義,從最初的26維,到10維超弦理論,再到如今的M理論11維,都是物理學家想完成大統(tǒng)一理論的大膽設想,獨立的加入一些變量參數(shù),這些參數(shù)變量都是加在原本的三維空間之上的,比如物理上的四維就是在三維空間上加了一個時間維度。

思維是我們大腦的生理活動,與維度沒有任何的關聯(lián),怎么能牽扯在一起呢?思維只是自我意識的一種,自我意識產(chǎn)生于大腦的神經(jīng)活動,它什么維度都不算。

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