「
四 よん 维」、「
四 よん 次元 じげん 」
和 かず 「
四 よん 次元 じげん 空 そら 间」
均 ひとし 重定 しげさだ 向 むかい 至 いたる 此。关于
國 こく 之 の 四 よん 维「
禮 れい 義 ぎ 廉恥 れんち 」,请见「
四 よん 維八德 とく 」。关于
次 じ 文化 ぶんか 用語 ようご 中 ちゅう 的 てき 用法 ようほう ,请见「
次元 じげん (次 つぎ 文化 ぶんか 用語 ようご )」。
從 したがえ 三 さん 维投影 とうえい 看 み ,一个在四维空間中绕一个平面旋轉的四 よん 維超正 せい 方体 ほうたい 。
在 ざい 物理 ぶつり 学 がく 和 わ 数学 すうがく 中 なか ,可 か 將 しょう
n
{\displaystyle n}
个数的 てき 序列 じょれつ 理解 りかい 为一个
n
{\displaystyle n}
维空 そら 间中 なか 的 てき 位置 いち 。当 とう
n
=
4
{\displaystyle n=4}
时,所有 しょゆう 这样的 てき 位置 いち 的 てき 集合 しゅうごう 就叫做四 よん 维空间 。四维空间和人居住的三維空間不同,因 いん 為 ため 多 た 了 りょう 一 いち 個 こ 維度。
愛 あい 因 いん 斯坦在 ざい 他 た 的 てき 廣義 こうぎ 相對 そうたい 論 ろん 和 わ 狭 せま 义相對論 たいろん 中 ちゅう 提 ひさげ 及的四 よん 维时空 むなし (閔可夫 おっと 斯基時空 じくう )建立 こんりゅう 在 ざい 黎 はじむ 曼幾何 なに 上 うえ ,而該非 ひ 歐 おう 氏 し 幾何 きか 空間 くうかん 與 あずか 大 だい 眾熟悉的歐 おう 氏 し 幾何 きか 大 だい 相 あい 徑庭 けいてい 。此四維空間與四維歐氏空間非常不同。由 よし 於幻想 げんそう 和 わ 哲學 てつがく 作品 さくひん 的 てき 流行 りゅうこう ,大 だい 眾的想像 そうぞう 裡 うら ,該區別 べつ 往往 おうおう 被 ひ 模糊 もこ 。
关于这一 いち 点 てん ,1973年 ねん ,考 こう 克 かつ 斯特曾写道 どう :
把 わ 歐 おう 氏 し 空間 くうかん 的 てき 第 だい 四维度視作時間并无益处。实际上 じょう ,H. G. 威 い 尔斯 在 ざい 《时间机 つくえ 器 き 》中 ちゅう 发展的 てき 这种十 じゅう 分 ふん 吸引 きゅういん 人的 じんてき 观点令 れい J. W. 杜 もり 恩 おん (《时间实验》)等 とう 作者 さくしゃ 对相对论有 ゆう 嚴重 げんじゅう 誤解 ごかい 。闵可夫 おっと 斯基的 てき 时空几何是 ぜ 不 ふ 符合 ふごう 欧 おう 几里得体 えたい 系 けい 的 てき ,所 しょ 以也就与此探討没有 ゆう 关系。
一个有四个空间性维数的空间(“纯空间性”的 てき 四 よん 维空间),或 ある 者 もの 说有四 よん 个两两正 せい 交的 てき 运动方向 ほうこう 的 てき 空 そら 间。这种空 そら 间就是 ぜ 数学 すうがく 家 か 们用来 らい 研究 けんきゅう 四维几何物体的空间。
从数学 がく 方面 ほうめん 讲,普通 ふつう 三维空间集合的四维等价物是欧 おう 几里得 とく 四 よん 维空间 ,一个四维欧几里得赋范 向 むかい 量 りょう 空 そら 间 。一 いち 个向量的 りょうてき “长度”
x
=
(
w
,
x
,
y
,
z
)
{\displaystyle \mathbf {x} =(w,x,y,z)}
以标准 じゅん 基底 きてい 表示 ひょうじ 就是
‖
x
‖
=
w
2
+
x
2
+
y
2
+
z
2
{\displaystyle \|\mathbf {x} \|={\sqrt {w^{2}+x^{2}+y^{2}+z^{2}}}}
也就是 ぜ 勾股定理 ていり 向 こう 四维空间进行的很自然的类比。这就让两个向量 りょう 之 の 间的夹角很容易 ようい 定 てい 义了(参 まいり 见欧 おう 几里得 とく 空 そら 间 )。
在 ざい 人 ひと 所 しょ 熟 じゅく 悉的三 さん 维空间里,有 ゆう 三 さん 对主要 よう 方向 ほうこう :上下 じょうげ (高度 こうど ),南北 なんぼく (纬度),东西(经度)。这三 さん 对方向 ほうこう 两两正 せい 交 ,也就是 ぜ 说,它们两两成 なり 直角 ちょっかく 。从数学 がく 方面 ほうめん 讲,它们在 ざい 三条 さんじょう 不同 ふどう 的 てき 坐 すわ 标轴 ,
x
{\displaystyle x}
、
y
{\displaystyle y}
、
z
{\displaystyle z}
上 うえ 。计算机 つくえ 图形学 がく 中 ちゅう 讲的深度 しんど 缓冲指 ゆび 的 てき 就是这条
z
{\displaystyle z}
轴,在 ざい 计算机 つくえ 的 てき 二维屏幕上代表深度。
纯空间性的 てき 四维空间另有一对垂直于其他三个主要方向的主要方向。这一对方向处在另一条同时垂直于
x
{\displaystyle x}
、
y
{\displaystyle y}
、
z
{\displaystyle z}
轴的坐 すわ 标轴上 じょう ,通常 つうじょう 称 しょう 作 さく
w
{\displaystyle w}
轴。对这两个方向 ほうこう 的 てき 命名 めいめい ,人 にん 们的看 み 法 ほう 不一 ふいつ 。一些现行的命名有安 やす 娜 /卡塔 ,斯皮希 まれ 图 /斯帕提 ひさげ 图 ,维因 /维奥 ,和 わ 宇普西 にし 龙 /德 とく 尔塔 。这些额外的 てき 方向 ほうこう 处于(实际上 じょう 是 ぜ 垂直 すいちょく 于)我 わが 们所能 のう 观察到的 てき 三维世界中的方向之外。
从一维到五维物体的演示。
纯空间性四 よん 维空间 可 か 以以向 むかい 量 りょう 的 てき 形式 けいしき 理解 りかい 。一 いち 个四 よん 维向量 りょう 同 どう 样由方向 ほうこう 和 わ 长度 (又 また 叫 さけべ 做模 も )组成,它可以认为是对从一 いち 个点到 いた 另一个点向某个方向移动一定的长度的这个过程的描述。零 れい 向 こう 量 りょう 是 ぜ 一个长度为零的特殊向量,也就是 ぜ 描述“不 ふ 移 うつり 动”这个过程的 てき 向 むこう 量 りょう 。
数学 すうがく 上 じょう 四维空间可以简单理解为有四个坐 すわ 标轴的 てき 空 そら 间,即 そく 在 ざい 普通 ふつう 坐 すわ 标系中 ちゅう 需要 じゅよう 4个参 さん 数 すう 来 らい 描述其中一 いち 点 てん 的 てき 坐 すわ 标 。 假 かり 设一个描述四维空间中一个点的向量为a ,有 ゆう
a
=
(
a
1
a
2
a
3
a
4
)
.
{\displaystyle \mathbf {a} ={\begin{pmatrix}a_{1}\\a_{2}\\a_{3}\\a_{4}\end{pmatrix}}.}
上 うえ 式 しき 也可以写成 なり 由 よし 4个基底 きてい (如e 1 , e 2 , e 3 , e 4 )表示 ひょうじ 的 てき 形式 けいしき ,则
e
1
=
(
1
0
0
0
)
;
e
2
=
(
0
1
0
0
)
;
e
3
=
(
0
0
1
0
)
;
e
4
=
(
0
0
0
1
)
,
{\displaystyle \mathbf {e} _{1}={\begin{pmatrix}1\\0\\0\\0\end{pmatrix}};\mathbf {e} _{2}={\begin{pmatrix}0\\1\\0\\0\end{pmatrix}};\mathbf {e} _{3}={\begin{pmatrix}0\\0\\1\\0\end{pmatrix}};\mathbf {e} _{4}={\begin{pmatrix}0\\0\\0\\1\end{pmatrix}},}
所以 ゆえん a 可 か 化 か 为
a
=
a
1
e
1
+
a
2
e
2
+
a
3
e
3
+
a
4
e
4
.
{\displaystyle \mathbf {a} =a_{1}\mathbf {e} _{1}+a_{2}\mathbf {e} _{2}+a_{3}\mathbf {e} _{3}+a_{4}\mathbf {e} _{4}.}
四 よん 维向量的 りょうてき 加法 かほう ,减法 和 わ 向 こう 量 りょう 比例 ひれい 和 わ 空 そら 间向量 りょう 的 てき 一致 いっち 。空 そら 间向量 りょう 中 ちゅう 的 てき 数量 すうりょう 积 (或 ある 称 しょう 为向量的 りょうてき “内 うち 积 ”、点 てん 乘 じょう )也被推广到四 よん 维向量 りょう 中 ちゅう ,如
a
⋅
b
=
a
1
b
1
+
a
2
b
2
+
a
3
b
3
+
a
4
b
4
.
{\displaystyle \mathbf {a} \cdot \mathbf {b} =a_{1}b_{1}+a_{2}b_{2}+a_{3}b_{3}+a_{4}b_{4}.}
下 した 式 しき 可 か 以用于计算 一个四维向量的长度
|
a
|
=
a
⋅
a
=
a
1
2
+
a
2
2
+
a
3
2
+
a
4
2
,
{\displaystyle \left|\mathbf {a} \right|={\sqrt {\mathbf {a} \cdot \mathbf {a} }}={\sqrt {{a_{1}}^{2}+{a_{2}}^{2}+{a_{3}}^{2}+{a_{4}}^{2}}},}
而两个向量的 りょうてき 夹角 可 か 由 よし 下 か 式 しき 定 てい 义或 ある 计算
θ しーた
=
arccos
a
⋅
b
|
a
|
|
b
|
.
{\displaystyle \theta =\arccos {\frac {\mathbf {a} \cdot \mathbf {b} }{\left|\mathbf {a} \right|\left|\mathbf {b} \right|}}.}
向 むかい 量 りょう 积 (或 ある 称 しょう 为向量的 りょうてき “外 そと 积 ”、叉 また 乘 じょう )是 ぜ 一 いち 个常数 じょうすう ,而空间向量的 りょうてき 外 そと 代数 だいすう 定 てい 义为
a
∧
b
=
(
a
1
b
2
−
a
2
b
1
)
e
12
+
(
a
1
b
3
−
a
3
b
1
)
e
13
+
(
a
1
b
4
−
a
4
b
1
)
e
14
+
(
a
2
b
3
−
a
3
b
2
)
e
23
+
(
a
2
b
4
−
a
4
b
2
)
e
24
+
(
a
3
b
4
−
a
4
b
3
)
e
34
.
{\displaystyle \mathbf {a} \wedge \mathbf {b} =(a_{1}b_{2}-a_{2}b_{1})\mathbf {e} _{12}+(a_{1}b_{3}-a_{3}b_{1})\mathbf {e} _{13}+(a_{1}b_{4}-a_{4}b_{1})\mathbf {e} _{14}+(a_{2}b_{3}-a_{3}b_{2})\mathbf {e} _{23}+(a_{2}b_{4}-a_{4}b_{2})\mathbf {e} _{24}+(a_{3}b_{4}-a_{4}b_{3})\mathbf {e} _{34}.}
这是双 そう 矢 や 量 りょう 的 まと 求 もとめ 值,以基底 そこ (e 12 , e 13 , e 14 , e 23 , e 24 , e 34 )在 ざい 四维空间中的双矢构成了六 ろく 维线性空 そら 间 ,它们可 か 以被用 よう 来 らい 在 ざい 四 よん 个方向 ほうこう 产生旋转 。
通 つう 过改变一个四维向量的长度而不改变它的方向,我 わが 们可以对一个向量进行伸 しん 缩 。这可以被想 そう 象 ぞう 成 なり 沿着原向 はらむこう 量的 りょうてき 方向 ほうこう 伸 しん 长或缩短一 いち 段 だん 长度。一个长度为负数 的 まと 向 むこう 量 りょう 与 あずか 和 わ 它方向 ほうこう 相反 あいはん 、长度相等 そうとう 的 てき 正数 せいすう 的 てき 向 むこう 量 りょう 互为相反 あいはん 向 こう 量 りょう 。这可以想象 ぞう 成 なり 面 めん 沿着原向 はらむこう 量的 りょうてき 方向 ほうこう 倒 たおせ 着 き 走 はし 。
如果沿着两个首尾 しゅび 相 しょう 接 せっ 的 てき 向 むこう 量 りょう 运动,那 な 么描述 じゅつ 这种运动的 てき 直接 ちょくせつ 结果的 てき 向 むこう 量 りょう 就叫做这两个向 こう 量的 りょうてき 向 こう 量 りょう 和 わ 。例 れい 如,如果一 いち 个人从点A开始沿某一向量运动到点B,又 また 从点B开始沿另一个向量运动到点C,那 な 么这两个向 こう 量的 りょうてき 和 わ 向 むこう 量 りょう 就是从点A径 みち 直 ちょく 到 いた 点 てん C的 てき 向 むこう 量 りょう 。
给定一 いち 组四维向量 りょう ,我 わが 们可以对它们进行任意 にんい 的 てき 伸 しん 缩和求 もとめ 和 わ 操作 そうさ 来 らい 得 え 到 いた 新 しん 的 てき 四 よん 维向量 りょう 。以这种方式 しき 得 え 到 いた 的 てき 所有 しょゆう 的 てき 四维向量的集合就叫做这一组向量的组合 。这种组合可 か 以认为是一 いち 个点通 どおり 过沿着 ぎ 一组向量中的某些向量移动所能达到的所有位置的集合。
给定几何图形 X和 わ 向 こう 量 りょう 集合 しゅうごう S,如果从几何 なん 图形X内的 ないてき 一个点出发,沿着向 むこう 量 りょう 集合 しゅうごう S的 てき 线性组合中 ちゅう 的 てき 向 むこう 量 りょう 运动,能 のう 够到达X内 うち 所有 しょゆう 其它的 てき 点 てん ,那 な 么我们就说这个向量 りょう 集合 しゅうごう S可 か 以张 出 で 几何图形X。
能 のう 够张出 で 一 いち 个几何 なん 图形X的 てき 最小 さいしょう 向 むこう 量 りょう 集合 しゅうごう 叫 さけべ 做X 的 てき 一 いち 组基底 きてい 。不 ふ 是 ぜ 所有 しょゆう 的 てき 向 むこう 量 りょう 集合 しゅうごう 都 と 是 ぜ 基底 きてい ,因 いん 为它们可能 かのう 含有 がんゆう 赘余的 てき 向 むこう 量 りょう 。如果一个向量能通过集合中其他向量经过伸缩、求 もとめ 和 わ 而得到 いた ,那 な 么这个向量 りょう 就是赘余的 てき 。例 れい 如,如果一个集合中有两个平行的向量,那 な 么它们中的 てき 一个可以被移除而 X 中 なか 的 てき 所有 しょゆう 点 てん 仍然可 か 以达到,因 いん 为能通 どおり 过那个被移 うつり 除 じょ 的 てき 向 むこう 量 りょう 达到的 てき 点 てん 一定可以通过那个与它平行的向量达到。或 ある 者 もの ,如果一个向量是其他两个的和,那 な 么它也完全 ぜん 可 か 以被移 うつり 除 じょ 。零 れい 向 こう 量 りょう 总是赘余的 てき ,因 いん 为它并不能 ふのう 让一个人达到任意一个除他已经能够达到的点之外的点。
通 つう 过把任意 にんい 一个可以张出几何图形X 的 まと 向 むこう 量 りょう 集合 しゅうごう 中 ちゅう 的 てき 所有 しょゆう 赘余向 むこう 量 りょう 移 うつり 除 じょ ,我 わが 们可以过的 てき 一 いち 组X 的 てき 基底 きてい 。选定的 てき 初 はつ 始 はじめ 向 むこう 量 りょう 集合 しゅうごう 不同 ふどう ,获得的 てき 能 のう 张出 X 的 てき 基底 きてい 也可能 かのう 不同 ふどう ;但 ただし 是 ぜ ,可 か 以证明 あかり 所有 しょゆう 这些基底 きてい 中 なか 都 と 含有 がんゆう 相 しょう 同 どう 数量 すうりょう 的 てき 向 むこう 量 りょう 。这个数量 すうりょう 就叫做X 的 てき 维数 。换句话说,如果 X 最少 さいしょう 需要 じゅよう n 个向量 りょう 来 らい 张出它,那 な 么X 就是n 维的。
直 ちょく 观地,一 いち 个图形 がた 的 てき 维数可 か 以认为是一个人要想达到这个图形中所有的点,需要 じゅよう 运动的 てき 所有 しょゆう 不同 ふどう 方向 ほうこう 的 てき 数 すう 目 もく 。
例 れい 如,一 いち 个点 てん 是 ぜ 一 いち 个零维图形 がた 。我 わが 们不需要 じゅよう 任 にん 何 なん 向 こう 量 りょう 来 らい 张出它,因 いん 为如果 はて 我 わが 们从这个点 てん 出 で 发,我 わが 们已经到达了它所有 しょゆう 的 てき 位置 いち 。
一 いち 条 じょう 直 ちょく 线是 ぜ 一 いち 个一维图形 がた 。从直线的某 ぼう 一个点上出发,我 わが 们需要 じゅよう 一个指向这个直线的方向的向量来到达到直线上的其他点。只 ただ 要 よう 一个向量就足够了,因 いん 为通过不同 ふどう 程度 ていど 的 てき 伸 しん 缩它我 わが 们可以到达直线上的 てき 任意 にんい 其他点 てん 。
一 いち 个平面 へいめん 是 ぜ 一 いち 个二 に 维图形 がた 。给定平面 へいめん 上 じょう 的 てき 一 いち 个起始点 してん ,我 わが 们至少 しょう 需要 じゅよう 两个互不平行 へいこう 的 てき 向 むこう 量 りょう 来 らい 张出这个平面 へいめん 。如果只 ただ 有 ゆう 一 いち 个向量 りょう ,我 わが 们只能 のう 到 いた 达某一条直线上的所有点;所以 ゆえん 我 わが 们需要 よう 有 ゆう 另一个与它不平行的向量来往这条直线的“两边”走 はし ,从而到达平面 めん 上 じょう 的 てき 其他点 てん 。只 ただ 要 よう 两个方向 ほうこう 就足够了,因 いん 为我们可以顺着 ぎ (或 ある 逆 ぎゃく 着 ぎ )前 ぜん 一个向量走不同的距离,再 さい 往两边走不同 ふどう 的 てき 距离来 らい 到 いた 达平面 めん 上 じょう 的 てき 任意 にんい 点 てん 。也可以把平面 へいめん 理解 りかい 成 なり 许多平行 へいこう 线的“堆 うずたか 积”;要 よう 想 そう 在 ざい 二维平面上从一点运动到另一点,我 わが 们需要 よう 首 くび 先 さき 沿着线平行 へいこう 线运动,再 さい 穿 ほじ 过这些平行 へいこう 线向另一个方向 ほうこう 运动。
在 ざい 我 わが 们的眼中 がんちゅう ,空 そら 间是 ぜ 三 さん 维的。要 よう 达到空 そら 间中的 てき 某 ぼう 一 いち 点 てん ,我 わが 们不仅要向 こう 前 ぜん 向 こう 后 きさき 、向 こう 两边走 はし ,还需要 よう 上下 じょうげ 移 うつり 动。换句话说,需要 じゅよう 第 だい 三个向量才能到达空间中的所有点。同 どう 样,也可以把空 そら 间理解 りかい 成 なり 许多平行 へいこう 平面 へいめん 的 てき 堆 うずたか 积:要 よう 想 そう 在 ざい 空 そら 间中从一点运动到另一点,我 わが 们可以先沿着一个方向前后走,再 さい 向 こう 两边走 はし ,最 さい 后 きさき 上下 じょうげ 走 はし 。
四 よん 维空间则是 ぜ 一个需要四个不同方向才能到达其中所有点的空间。这种空 そら 间可以认为是许多平行 へいこう 的 てき 三维空间的堆积。要 よう 理解 りかい 这个概念 がいねん ,想 そう 象 ぞう 一下把一张张纸并列叠起来的过程。如果人 じん 不 ふ 把 わ 它们一个个堆叠起来,这些纸张不 ふ 会 かい 延伸 えんしん 进三 さん 维空间。以同样的方式 ほうしき ,要 よう 想 そう 进入四 よん 维空间,就必须向一个新的方向运动,这个方向 ほうこう 必须是 ぜ 在 ざい 三维空间以外的。要 よう 达到四维空间中的每一个点,一个人不仅需要向前后、左右 さゆう 、上下 じょうか 移 うつり 动,还要沿着一对新的方向运动,即 そく 上 じょう 文 ぶん 提 ひっさげ 到 いた 的 てき 安 やす 娜/卡塔,或 ある 者 もの 叫 さけべ 维因/维奥等 とう 等 とう 。
一 いち 个超 ちょう 正方 せいほう 体 たい 的 てき 展 てん 开图 。
要 よう 理解 りかい 四维空间的本性,我 わが 们可以通過 つうか 與 あずか 低 てい 維度類比 るいひ 進行 しんこう 推廣。维数类比是 ぜ 指 ゆび 通 どおり 过研究 けんきゅう n - 1维与n 维之间的关系,来 らい 推断 すいだん n 维与n + 1维之间会有 ゆう 什么样的关系。[2]
埃 ほこり 德 とく 温 ゆたか ·阿 おもね 伯 はく 特 とく ·阿 おもね 伯 はく 特 とく 在 ざい 他 た 的 てき 书平面 へいめん 國 こく 中 ちゅう 运用维数类比,讲述了 りょう 在 ざい 一 いち 个扁平得 ひらえ 就像一张纸的二维世界中生活的一个正方形的故事。[3] 在 ざい 这个正方形 せいほうけい 的 てき 眼中 がんちゅう ,生活 せいかつ 在 ざい 三维世界中的人们拥有近乎神的力量,因 いん 为他们能在 ざい 不 ふ 打破 だは (二 に 维的)保 ほ 险箱的 てき 情 じょう 况下从其中 ちゅう 把 わ 东西(通 つう 过移入 いにゅう 移出 いしゅつ 三 さん 维空间的方法 ほうほう )取出 とりで ,能 のう 看 み 到 いた 所有 しょゆう 在 ざい 二维世界看来是被挡在墙后面的东西,甚至能 のう 站在离二维世界几英寸的地方来保持“隐形”。
通 つう 过应用 よう 维数类比,人 にん 们可以推断 すいだん ,四 よん 维空间中的 てき 人 じん 在 ざい 我 わが 们三维的视角看来应该有类似的神奇能力。鲁迪·拉 ひしげ 克 かつ 在 ざい 他 た 的 てき 小 しょう 说《空 そら 间世界 かい 》(Spaceland )中 ちゅう 展示 てんじ 了 りょう 这一 いち 点 てん 。[4] 小 しょう 说的主人公 しゅじんこう 就遇到 いた 了 りょう 具有 ぐゆう 神 しん 奇 き 能力 のうりょく 的 てき 四 よん 维人。
射影 しゃえい 是 ぜ 应用维数类比来 らい 想 そう 象 ぞう 四维空间的一种有效方法。射影 しゃえい 是 ぜ 指 ゆび 用 よう n - 1维空间中的 てき 图形来 らい 代表 だいひょう n 维空间中的 てき 图形。比 ひ 如说,电脑屏 へい 幕 まく 是 ぜ 二 に 维的,而所有 しょゆう 三 さん 维的人 じん 、地方 ちほう 、东西等 とう 等 とう 的 てき 照 あきら 片 かた 都 と 是 ぜ 以射影 しゃえい 的 てき 形式 けいしき 展 てん 现在二 に 维平面 めん 上 じょう 的 てき 。这会把 わ 三维世界中的深度去除,代 だい 之 の 以间接 せっ 的 てき 信 しん 息 いき 。人 ひと 眼 め 的 てき 视网膜 まく 也是由 よし 一 いち 层二 に 维的感受 かんじゅ 器 き 构成的 てき ,但 ただし 是 ぜ 人 じん 脑能够察知 さっち 三维物体的真实形状;这是根 ね 据 すえ 阴影、近大 きんだい 远小 、双眼 そうがん 视觉等 とう 间接信 しん 息 いき 推断 すいだん 得 どく 来 らい 的 てき 。画家 がか 们经常 つね 利用 りよう 透 とおる 视来赋予二维的图画一种三维(也就是 ぜ 立体 りったい )的 てき 感 かん 觉。
相似 そうじ 地 ち ,四维空间中的物体可以以数学的方法射影到三维空间中,从而使 し 观察它们变得更 さら 容易 ようい 。在 ざい 这种情 じょう 况下,一个四维的眼的“视网膜 まく ”是 ぜ 由 よし 一 いち 个三 さん 维“层”的 てき 感受 かんじゅ 器 き 构成的 てき 。假 かり 设一个人有这样一只眼,他 た 就可以根据 すえ 三维图形中的间接信息推断出四维物体的真实形状。
三 さん 维物体 ぶったい 在 ざい 人 ひと 眼 め 视网膜 まく 上 じょう 留 とめ 下 か 的 てき 透 とおる 视射影 しゃえい 会 かい 造成 ぞうせい 近大 きんだい 远小的 てき 现象,这样大 だい 脑就可 か 以推断 すいだん 出 で 三 さん 维的深度 しんど 。以同样的方式 ほうしき ,四维物体的透视射影会造成相似的“近大 きんだい 远小”的 てき 效果 こうか 。通 つう 过应用 よう 维数类比,我 わが 们可以从这种效果 こうか 中 ちゅう 推断 すいだん 出 で 四 よん 维的“深度 しんど ”。
下面 かめん 的 てき 图片演 えんじ 示 しめせ 了 りょう 这种规律。我 わが 们可以比较一下 か 三 さん 维的正 せい 方体 ほうたい 和 かず 类似的 てき 四 よん 维超 ちょう 正方 せいほう 体 たい 的 てき 三 さん 维射影 しゃえい 。
一 いち 個 こ 與 あずか 射影 しゃえい 有 ゆう 密 みつ 切 きり 關係 かんけい 的 てき 方法 ほうほう 是 これ 把 わ 四维幾何體的陰影在三维空間中顯示出來。
假設 かせつ 有 ゆう 一束光射向一個三维物體,則 のり 其陰影 いんえい 會 かい 在 ざい 二 に 维平面 めん 上 じょう 顯示 けんじ 出來 でき 。如此類推 るいすい ,光 ひかり 射 い 向 こう 二维物體會產生一维陰影,射 しゃ 向 こう 一维物體會產生零维陰影,也就是 ぜ 無 む 光 ひかり 的 てき 一 いち 點 てん ;另一方面 ほうめん ,光 ひかり 射 い 向 こう 四维物體會產生三维陰影。
如果一個立方體的線框置於光源下,其陰影 いんえい 為 ため 一正方形位於另一正方形以内,並 なみ 且相對 たい 的 てき 點 てん 相 しょう 連 れん 。同樣 どうよう ,如果四 よん 维正方體 ほうたい 置 おけ 於光源 げん 下 か ,其陰影 いんえい 便 びん 會 かい 是 ぜ 一三维正方體位於另一正方體之内,並 なみ 且相對 たい 的 てき 點 てん 相 しょう 連 れん 。(注意 ちゅうい ,此處 ここら 顯示 けんじ 的 てき 圖 ず 片 かた 乃四维正方體的三维陰影在二维平面上的投影。)
维度類比 るいひ 法 ほう 也可幫我們推論 ろん 出 で 高 だか 维度物體 ぶったい 的 てき 基本 きほん 屬性 ぞくせい 。例 れい 如,二维物體有一维的邊界,正方形 せいほうけい 的 てき 邊 あたり 界 かい 為 ため 一 いち 维的線 せん ;三维物體有二维的邊界(表面 ひょうめん ),正 せい 方體 ほうたい 的 てき 表面 ひょうめん 為 ため 二 に 维的平面 へいめん 。我 わが 們可以推論 ろん ,四维物體便有三维的“邊 あたり 界 かい ”,就是超 ちょう 正 せい 方體 ほうたい 的 てき 外 がい 圍 かこえ 是 ぜ 三 さん 维的正 せい 方體 ほうたい 。以上 いじょう 屬性 ぞくせい 對 たい 如何 いか 表 ひょう 達 たち 四维物體的三维投影很有幫助。
作爲 さくい 三 さん 维空間 あいだ 中 ちゅう 的 てき 生物 せいぶつ ,我 わが 們的眼睛 がんせい 只 ただ 能 のう 看 み 到 いた 這個世界 せかい 的 てき 二 に 维投影 とうえい 。生活 せいかつ 在 ざい 四维空間的生物便能看到它們的世界的三维投影。例 れい 如,它們可 か 以同時 じ 看 み 到 いた 一 いち 個 こ 正方 せいほう 體 たい 的 てき 所有 しょゆう 六 ろく 面 めん ,還 かえ 能 のう 同時 どうじ 看 み 到 いた 正 せい 方體 ほうたい 中 ちゅう 的 てき 物體 ぶったい ;其實我 わが 們也可 か 以同時 じ 看 み 到 いた 二维平面上的正方形的全部四條邊及其中的物體。四维生物能同一時間看到三维空間中的所有點、物體 ぶったい 和物 あえもの 體 たい 的 てき 内部 ないぶ ,這些是 ぜ 我 わが 們在三维空間中看不到的。
類比 るいひ 法 ほう 是 ぜ 理解 りかい 高 だか 维度空間 くうかん 的 てき 一 いち 項 こう 很好的 てき 方法 ほうほう ,但 ただし 我 わが 們若不 ふ 經過 けいか 更進 こうしん 一步的計算仍不可以妄下結論。以下 いか 是 ぜ 圓形 えんけい 周 しゅう 長 ちょう 公式 こうしき :
C
=
2
π ぱい
r
{\displaystyle C=2\pi r}
及球體 きゅうたい 表面積 ひょうめんせき 公式 こうしき :
A
=
4
π ぱい
r
2
{\displaystyle A=4\pi r^{2}}
。
有人 ゆうじん 可能 かのう 會 かい 立 りつ 即 そく 推論 すいろん 出超 しゅっちょう 球體 きゅうたい 的 てき 表面 ひょうめん 體積 たいせき 為 ため
V
=
6
π ぱい
r
3
{\displaystyle V=6\pi r^{3}}
或 ある
V
=
8
π ぱい
r
3
{\displaystyle V=8\pi r^{3}}
,但 ただし 實際 じっさい 上 じょう 兩者 りょうしゃ 均 ひとし 為 ため 錯誤 さくご 。正確 せいかく 公式 こうしき 為 ため
V
=
2
π ぱい
2
r
3
{\displaystyle V=2\pi ^{2}r^{3}}
。
四维幾何比三维幾何豐富得多,因 いん 爲 ため 其額外的 がいてき 维度提供 ていきょう 了 りょう 更 さら 多 た 的 てき 自由 じゆう 空間 くうかん 。
三 さん 维空間 あいだ 中 ちゅう ,我 わが 們可以從多邊形 たへんけい 做出多面體 ためんたい ;同樣 どうよう 地 ち ,在 ざい 四维空間中我們可以從多面體做出多 た 胞體 (四 よん 维多胞形)。三 さん 维空間 あいだ 中 ちゅう 存在 そんざい 5種 しゅ 正 せい 多面體 ためんたい ,以柏 かしわ 拉 ひしげ 圖 ず 立體 りったい 稱 しょう 之 の ;而四维空間 あいだ 中 ちゅう 存在 そんざい 6種 しゅ 正 せい 多 た 胞體 ,均 ひとし 從 したがえ 柏 かしわ 拉 ひしげ 圖 ず 立體 りったい 類比 るいひ 而成。三 さん 维空間 あいだ 中 ちゅう 存在 そんざい 13種 しゅ 半 はん 正 せい 多面體 ためんたい (阿 おもね 基 もと 米 まい 德 とく 立體 りったい ),而在四 よん 维空間 あいだ 中 ちゅう 存在 そんざい 58種 しゅ 半 はん 正 せい 多 た 胞體 。
在 ざい 三 さん 维空間 あいだ ,我 わが 們可以把圓形 えんけい 向 こう 第 だい 三维度拉伸形成圓柱 えんちゅう 體 たい 。而在四 よん 维空間 あいだ ,我 わが 們可以向第 だい 四维度拉伸球體形成球柱體(球體 きゅうたい 為 ため “蓋 ぶた ”的 てき 柱 はしら 體 たい ),或 ある 拉 ひしげ 伸 しん 圓柱 えんちゅう 體 たい 形成 けいせい 圓柱 えんちゅう 棱體。我 わが 們還可 か 以取兩個 りゃんこ 球體 きゅうたい 的 てき 笛 ふえ 卡爾積 せき 得 え 到 いた 一 いち 個 こ 圓柱 えんちゅう 體 からだ 柱 ばしら 。以上 いじょう 三種均可在四维中“滾 たぎ 動 どう ”,但 ただし 各 かく 有 ゆう 不同 ふどう 的 てき 屬性 ぞくせい 。
三 さん 维中,曲 きょく 綫可以形成 けいせい 結 ゆい ,但 ただし 曲面 きょくめん 並 なみ 不可 ふか 以(除 じょ 非 ひ 互相交叉 こうさ 穿 ほじ 越 えつ )。但 ただし 在 ざい 四 よん 维中,以曲面 めん 形成 けいせい 的 てき 結 ゆい 可 か 以經過 けいか 延伸 えんしん 到 いた 第 だい 四维度而解開。由 よし 於自由 じゆう 度 ど 更 さら 大 だい ,四维中的曲面結比三维中的綫結要複雜的多。克 かつ 萊因瓶 びん 便 びん 是 ぜ 其中一 いち 個 こ 例 れい 子 こ 。另一 いち 例 れい 子 こ 為 ため 實 じつ 射影 しゃえい 平面 へいめん 。
在 ざい 四维歐幾里得空間 中 ちゅう 與 あずか P0 點 てん 有 ゆう 相 しょう 同 どう 距離 きょり R的 てき 所有 しょゆう 點 てん 的 てき 集合 しゅうごう 能 のう 形成 けいせい 一 いち 個 こ 超 ちょう 曲面 きょくめん ,稱 たたえ 爲 ため 三 さん 维球面 めん 。此超曲面 きょくめん 包含 ほうがん 的 てき 四 よん 維空間 あいだ 超 ちょう 體積 たいせき 為 ため :
V
=
2
π ぱい
2
R
3
{\displaystyle V=2\pi ^{2}R^{3}}
這是廣義 こうぎ 相對 そうたい 論 ろん 中 なか 的 てき 羅 ら 伯 はく 遜 へりくだ -沃爾克 かつ 度 ど 規 ぶんまわし ,其中R 由 ゆかり R(t) 代替 だいたい ,t 代表 だいひょう 宇宙 うちゅう 年齡 ねんれい 。R 值的隨時 ずいじ 間 あいだ 的 てき 加 か 大 だい 或 ある 減 げん 低 てい 表示 ひょうじ 宇宙 うちゅう 膨脹 ぼうちょう 或 ある 收縮 しゅうしゅく ,這取決 けつ 於宇宙 うちゅう 質量 しつりょう 密度 みつど 。[5]
^ Coxeter, H. S. M. (1973). Regular Polytopes , Dover Publications, Inc., p. 119.
^ Michio Kaku (1994). Hyperspace : A Scientific Odyssey Through Parallel Universes, Time Warps, and the Tenth Dimension , Part I, chapter 3, The Man Who "Saw" the Fourth Dimension (about tesseract s in years 1870 - 1910) . ISBN 0-19-286189-1 .
^ Google Books Flatland: A Romance of Many Dimensions . By Edwin A. Abbott, Published by Filiquarian Publishing, LLC., 2007. ISBN 1-59986-928-4 , 9781599869285, 148 pages
^ Google Books Spaceland: A Novel of the Fourth Dimension . By Rudy Rucker, Published by Tom Doherty Associates, LLC, 2002. ISBN 0-7653-0366-3 , 9780765303660, 304 pages
^ Ray d'Inverno (1992), Introducing Einstein's Relativity , Clarendon Press , chp. 22.8 Geometry of 3-spaces of constant curvature , p.319ff, ISBN 0-19-859653-7