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よん维空间

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重定しげさだこうよん
したがえさん投影とうえい,一个在四维空間中绕一个平面旋轉的よん維超せい方体ほうたい

ざい物理ぶつりがく数学すうがくなかしょう个数てき序列じょれつ理解りかい为一个そらなかてき位置いちとう时,所有しょゆう这样てき位置いちてき集合しゅうごう就叫做よん维空间。四维空间和人居住的三維空間不同,いんためりょういち維度。

おうよん維空あいだ

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あいいん斯坦ざいてき廣義こうぎ相對そうたいろんせま义相對論たいろんちゅうひさげ及的よん维时むなし閔可おっと斯基時空じくう建立こんりゅうざいはじむ曼幾なにうえ,而該おう幾何きか空間くうかんあずかだい眾熟悉的おう幾何きかだいあい徑庭けいてい。此四維空間與四維歐氏空間非常不同。よし幻想げんそう哲學てつがく作品さくひんてき流行りゅうこうだい眾的想像そうぞううら,該區べつ往往おうおう模糊もこ

关于这いちてん,1973ねんこうかつ斯特曾写どう

おう空間くうかんてきだい四维度視作時間并无益处。实际じょうH. G. 尔斯ざい时间つくえちゅう发展てき这种じゅうふん吸引きゅういん人的じんてき观点れいJ. W. もりおん(《时间实验》)とう作者さくしゃ对相对论ゆう嚴重げんじゅう誤解ごかい。闵可おっと斯基てき时空几何符合ふごうおう几里得体えたいけいてきしょ以也就与此探討没ゆう关系。

——H. S. M. こうかつ斯特Regular Polytopes[1]

おう四维空间定义

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一个有四个空间性维数的空间(“纯空间性”てきよん维空间),あるもの说有よん个两两せいてき运动方向ほうこうてきそら间。这种そら间就数学すうがく们用らい研究けんきゅう四维几何物体的空间。

从数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おう几里とくよん维空间,一个四维欧几里得赋范むかいりょうそらいち个向量的りょうてき“长度”

以标じゅん基底きてい表示ひょうじ就是

也就勾股定理ていりこう四维空间进行的很自然的类比。这就让两个向りょう间的夹角很容易よういてい义了(まいりおう几里とくそら)。

せい交性

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ざいひとしょじゅく悉的さん维空间里,ゆうさん对主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)。这さん方向ほうこう两两せい,也就说,它们两两なり直角ちょっかく。从数がく方面ほうめん讲,它们ざい三条さんじょう不同ふどうてきすわ标轴 うえ。计算つくえ图形がくちゅう讲的深度しんど缓冲ゆびてき就是这条 轴,ざい计算つくえてき二维屏幕上代表深度。

纯空间性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 轴的すわ标轴じょう通常つうじょうしょうさく 轴。对这两个方向ほうこうてき命名めいめいにん们的ほう不一ふいつ。一些现行的命名有やす/卡塔斯皮まれ/斯帕ひさげ维因/维奥宇普西にし/とく尔塔。这些额外てき方向ほうこう处于(实际じょう垂直すいちょく于)わが们所のう观察到てき三维世界中的方向之外。

       

むかいりょう

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从一维到五维物体的演示。

纯空间性よん维空间以以むかいりょうてき形式けいしき理解りかいいちよん维向りょうどう样由方向ほうこう长度またさけべ)组成,它可以认为是对从いち个点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。れいこうりょう一个长度为零的特殊向量,也就描述“うつり动”这个过程てきむこうりょう

むかいりょう运算

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数学すうがくじょう四维空间可以简单理解为有四个すわ标轴てきそら间,そくざい普通ふつうすわ标系ちゅう需要じゅよう4个さんすうらい描述其中いちてんてきすわかり设一个描述四维空间中一个点的向量为aゆう

うえしき也可以写なりよし4个基底きてい(如e1, e2, e3, e4)表示ひょうじてき形式けいしき,则

所以ゆえんa

よん维向量的りょうてき加法かほう减法こうりょう比例ひれいそら间向りょうてき一致いっちそら间向りょうちゅうてき数量すうりょうあるしょう为向量的りょうてきうち”、てんじょう)也被推广到よん维向りょうちゅう,如

したしき以用于计算一个四维向量的长度

而两个向量的りょうてき夹角よししきていある计算

むかいりょうあるしょう为向量的りょうてきそと”、またじょういち常数じょうすう,而空间向量的りょうてきそと代数だいすうてい义为

这是そうりょうまともとめ值,以基そこ(e12, e13, e14, e23, e24, e34)ざい四维空间中的双矢构成了ろく线性そら,它们以被ようらいざいよん方向ほうこう产生旋转

こうりょう操作そうさ

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つう过改变一个四维向量的长度而不改变它的方向,わが们可以对一个向量进行しん。这可以被そうぞうなり沿着原向はらむこう量的りょうてき方向ほうこうしん长或缩短いちだん长度。一个长度为负数まとむこうりょうあずか方向ほうこう相反あいはん、长度相等そうとうてき正数せいすうてきむこうりょう互为相反あいはんこうりょう。这可以想ぞうなりめん沿着原向はらむこう量的りょうてき方向ほうこうたおせはし

如果沿着两个首尾しゅびしょうせってきむこうりょう运动,么描じゅつ这种运动てき直接ちょくせつ结果てきむこうりょう就叫做这两个こう量的りょうてきこうりょうれい如,如果いち个人从点A开始沿某一向量运动到点B,また从点B开始沿另一个向量运动到点C,么这两个こう量的りょうてきむこうりょう就是从点AみちちょくいたてんCてきむこうりょう

むかいりょう组合

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给定いち组四维向りょうわが们可以对它们进行任意にんいてきしん缩和もとめ操作そうさらいいたしんてきよん维向りょう。以这种方しきいたてき所有しょゆうてき四维向量的集合就叫做这一组向量的组合。这种组合以认为是いち个点どおり过沿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こうりょう集合しゅうごうS,如果从几なん图形X内的ないてき一个点出发,沿着むこうりょう集合しゅうごうSてき线性组合ちゅうてきむこうりょう运动,のう够到达Xうち所有しょゆう其它てきてん么我们就说这个向りょう集合しゅうごうS几何图形X。

むかいりょう基底きてい

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のう够张いち个几なん图形Xてき最小さいしょうむこうりょう集合しゅうごうさけべXてきいち基底きてい所有しょゆうてきむこうりょう集合しゅうごう基底きていいん为它们可能かのう含有がんゆう赘余てきむこうりょう。如果一个向量能通过集合中其他向量经过伸缩、もとめ而得いた么这个向りょう就是赘余てきれい如,如果一个集合中有两个平行的向量,么它们中てき一个可以被移除而 X なかてき所有しょゆうてん仍然以达到,いん为能どおり过那个被うつりじょてきむこうりょう达到てきてん一定可以通过那个与它平行的向量达到。あるもの,如果一个向量是其他两个的和,么它也完ぜん以被うつりじょれいこうりょう总是赘余てき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。

维数

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つう过把任意にんい一个可以张出几何图形Xまとむこうりょう集合しゅうごうちゅうてき所有しょゆう赘余むこうりょううつりじょわが们可以过てきいちXてき基底きてい。选定てきはつはじめむこうりょう集合しゅうごう不同ふどう,获得てきのう张出 X てき基底きてい可能かのう不同ふどうただし以证あかり所有しょゆう这些基底きていなか含有がんゆうしょうどう数量すうりょうてきむこうりょう。这个数量すうりょう就叫做X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个向りょうらい张出它,X就是n维的。

ちょく观地,いち个图がたてき维数以认为是一个人要想达到这个图形中所有的点,需要じゅよう运动てき所有しょゆう不同ふどう方向ほうこうてきすうもく

れい如,いちてんいち个零维图がたわが们不需要じゅようにんなんこうりょうらい张出它,いん为如はてわが们从这个てん发,わが们已经到达了它所有しょゆうてき位置いち

いちじょうちょく线いち个一维图がた。从直线的ぼう一个点上出发,わが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。ただよう一个向量就足够了,いん为通过不同ふどう程度ていどてきしん缩它わが们可以到达直线上てき任意にんい其他てん

いち平面へいめんいち维图がた。给定平面へいめんじょうてきいち个起始点してんわが们至しょう需要じゅよう两个互不平行へいこうてきむこうりょうらい张出这个平面へいめん。如果ただゆういち个向りょうわが们只のういた达某一条直线上的所有点;所以ゆえんわが们需ようゆう另一个与它不平行的向量来往这条直线的“两边”はし,从而到达平めんじょうてき其他てんただよう两个方向ほうこう就足够了,いん为我们可以顺あるぎゃくぜん一个向量走不同的距离,さい往两边走不同ふどうてき距离らいいた达平めんじょうてき任意にんいてん。也可以把平面へいめん理解りかいなり许多平行へいこう线的“うずたか积”;ようそうざい二维平面上从一点运动到另一点,わが们需ようくびさき沿着线平行へいこう线运动,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。

ざいわが们的眼中がんちゅうそらさん维的。よう达到そら间中てきぼういちてんわが们不仅要こうぜんこうきさきこう两边はし,还需よう上下じょうげうつり动。换句话说,需要じゅようだい三个向量才能到达空间中的所有点。どう样,也可以把そら理解りかいなり许多平行へいこう平面へいめんてきうずたか积:ようそうざいそら间中从一点运动到另一点,わが们可以先沿着一个方向前后走,さいこう两边はしさいきさき上下じょうげはし

よん维空间则一个需要四个不同方向才能到达其中所有点的空间。这种そら间可以认为是许多平行へいこうてき三维空间的堆积。よう理解りかい这个概念がいねんそうぞう一下把一张张纸并列叠起来的过程。如果じん它们一个个堆叠起来,这些纸张かい延伸えんしんさん维空间。以同样的方式ほうしきようそう进入よん维空间,就必须向一个新的方向运动,这个方向ほうこう必须ざい三维空间以外的。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うつり动,还要沿着一对新的方向运动,そくじょうぶんひっさげいたてきやす娜/卡塔,あるものさけべ维因/维奥とうとう

维数类比

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いちちょう正方せいほうたいてきてん开图

よう理解りかい四维空间的本性,わが们可以通過つうかあずかてい維度類比るいひ進行しんこう推廣。维数类比ゆびどおり研究けんきゅうn - 1维与n维之间的关系,らい推断すいだんn维与n + 1维之间会ゆう什么样的关系。[2]

ほこりとくゆたか·おもねはくとく·おもねはくとくざいてき平面へいめんこくちゅう运用维数类比,讲述りょうざい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]ざい这个正方形せいほうけいてき眼中がんちゅう生活せいかつざい三维世界中的人们拥有近乎神的力量,いん为他们能ざい打破だは维的)险箱てきじょう况下从其ちゅう东西(つう移入いにゅう移出いしゅつさん维空间的方法ほうほう取出とりでのういた所有しょゆうざい二维世界看来是被挡在墙后面的东西,甚至のう站在离二维世界几英寸的地方来保持“隐形”。

つう过应よう维数类比,にん们可以推断すいだんよん维空间中てきじんざいわが们三维的视角看来应该有类似的神奇能力。鲁迪·ひしげかつざいてきしょう说《そら间世かい》(Spacelandちゅう展示てんじりょういちてん[4]しょう说的主人公しゅじんこう就遇いたりょう具有ぐゆうしん能力のうりょくてきよん维人。

射影しゃえい

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射影しゃえい应用维数类比らいそうぞう四维空间的一种有效方法。射影しゃえいゆびようn - 1维空间中てき图形らい代表だいひょうn维空间中てき图形。如说,电脑へいまく维的,而所有しょゆうさん维的じん地方ちほう、东西とうとうてきあきらかた射影しゃえいてき形式けいしきてん现在维平めんじょうてき。这会三维世界中的深度去除,だい以间せってきしんいきひとてき视网まく也是よしいち维的感受かんじゅ构成てきただしじん脑能够察知さっち三维物体的真实形状;这是すえ阴影、近大きんだい远小双眼そうがん视觉とう间接しんいき推断すいだんどくらいてき画家がか们经つね利用りようとおる视来赋予二维的图画一种三维(也就立体りったいてきかん觉。

相似そうじ,四维空间中的物体可以以数学的方法射影到三维空间中,从而使观察它们变得さら容易よういざい这种じょう况下,一个四维的眼的“视网まくよしいちさん维“层”てき感受かんじゅ构成てきかり设一个人有这样一只眼,就可以根すえ三维图形中的间接信息推断出四维物体的真实形状。

さん物体ぶったいざいひと视网まくじょうとめてきとおる射影しゃえいかい造成ぞうせい近大きんだい远小てき现象,这样だい脑就推断すいだん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”てき效果こうかつう过应よう维数类比,わが们可以从这种效果こうかちゅう推断すいだんよん维的“深度しんど”。

下面かめんてき图片えんじしめせりょう这种规律。わが们可以比较一さん维的せい方体ほうたいかず类似てきよんちょう正方せいほうたいてきさん射影しゃえい

せい方体ほうたい ちょう正方せいほうたい かい

ひだり边的图片是正ぜせい对着一个面看到的正方体。四维中超正方体类似的视角是せい对一个胞看到的透视射影,也就みぎ边的图显しめせてき。就像せい方体ほうたいてき投影とうえい一个正方形一样,ちょうせい方体ほうたいてき投影とうえいいち个正方体ほうたい需要じゅよう注意ちゅういてきせい方体ほうたいてき其他5个面ざい这里见的。它们てき见的这个めん挡住りょう相似そうじちょうせい方体ほうたいてき其他7个胞也是见的,いん为它们被见的这个胞“挡住”りょうただし,这个たいてき6个面,却是ぜん见的。而且ひだり图中以透视的方式ほうしきてん现的“ぜん见”,而是犹如わが们可以普どおりてきぜん见整个正方形せいほうけいてき四条边和内部一样,4维世かいてき人的じんてき直接ちょくせつぜん见整个正方体ほうたいてき6个面内部ないぶてき

ひだり边的图片是正ぜせい对着一条边看到的正方体。ちょう正方せいほうたい类似てき视角せい对一个面看到的透视射影みぎ边的图)。就像せい方体ほうたいせい对边てき投影とうえい两个梯形ていけいいち样,ちょう正方せいほうたいせい对面てき投影とうえい两个棱台ざい这个视角ちゅうせい方体ほうたい离我们最近さいきんてき边是红色てきめんあずか绿色てきめんてき公共こうきょう边。どう样,ちょう正方せいほうたいさとわが最近さいきんてきめん红色てき胞与绿色てき胞的公共こうきょうめん

ひだり边是いち个正对顶点いたてき正方せいほうたい。这与みぎ边超せい方体ほうたいてきせい对一条边看到的透视射影相似そうじ。就像せい方体ほうたいせい顶点てき投影とうえいよし三个共用一点的梯形组成一样,ちょう正方せいほうたいせい对边てき投影とうえいよしさん个共よういち边的六面体ろくめんたい组成。せい方体ほうたい离我们最近さいきんてき顶点さん个面てき公共こうきょうてん,而超せい方体ほうたい离我们最近さいきんてき边是投影とうえいたい中部ちゅうぶてき三个胞的公共边。

わが们还以把せい方体ほうたいてきせい对边射影しゃえいちょうせい方体ほうたいてきせい对边射影しゃえいざいいちおこりさくいち个类せい方体ほうたいてき射影しゃえいゆう两个梯形ていけい共用きょうよういち边,而超せい方体ほうたいてき射影しゃえいゆうさん六面体ろくめんたい共用きょうよういち边。

ひだり是正ぜせい方体ほうたいせい对点てき射影しゃえいみぎ边则ちょう正方せいほうたいせい对一个顶点てきとおる射影しゃえいせい方体ほうたいてきせい对点射影しゃえいゆう三个围绕一点的四边形,而超せい方体ほうたいてきせい对点射影しゃえいゆうよん个围绕いちてんてき六面体ろくめんたいせい方体ほうたい离我们最近さいきんてき顶点投影とうえい图形中部ちゅうぶてきさん个面てき公共こうきょうてん,而超せい方体ほうたい离我们最近さいきんてきてん也是投影とうえいたい中部ちゅうぶてきよん个胞てき公共こうきょうてん注意ちゅういせい方体ほうたいてきろく个面ちゅうただゆう三个能被看到,いん为其它三个面在正方体的另一边,这三个面挡住了。相似そうじちょうせい方体ほうたいてき八个胞中只有四个能被看到,いん为其它四个胞在超正方体的另一边(ざい四维深度中离我们这一边更远的一边),见的四个胞挡住了。

陰影いんえい

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いちあずか射影しゃえいゆうみつきり關係かんけいてき方法ほうほうこれ四维幾何體的陰影在三维空間中顯示出來。

假設かせつゆう一束光射向一個三维物體,のり陰影いんえいかいざい维平めんじょう顯示けんじ出來でき。如此類推るいすいひかりこう二维物體會產生一维陰影,しゃこう一维物體會產生零维陰影,也就ひかりてきいちてん;另一方面ほうめんひかり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,其陰影いんえいため一正方形位於另一正方形以内,なみ且相たいてきてんしょうれん同樣どうよう,如果よん维正方體ほうたいおけ於光げん,其陰影いんえい便びんかい一三维正方體位於另一正方體之内,なみ且相たいてきてんしょうれん。(注意ちゅうい此處ここら顯示けんじてきかた乃四维正方體的三维陰影在二维平面上的投影。)

あたりかい

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维度類比るいひほう也可幫我們推ろんだか维度物體ぶったいてき基本きほん屬性ぞくせいれい如,二维物體有一维的邊界,正方形せいほうけいてきあたりかいためいち维的せん;三维物體有二维的邊界(表面ひょうめん),せい方體ほうたいてき表面ひょうめんため维的平面へいめんわが們可以推ろん,四维物體便有三维的“あたりかい”,就是ちょうせい方體ほうたいてきがいかこえさん维的せい方體ほうたい以上いじょう屬性ぞくせいたい如何いかひょうたち四维物體的三维投影很有幫助。

視覺しかく觀測かんそく

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作爲さくいさん维空あいだちゅうてき生物せいぶつわが們的眼睛がんせいただのういた這個世界せかいてき投影とうえい生活せいかつざい四维空間的生物便能看到它們的世界的三维投影。れい如,它們以同いたいち正方せいほうたいてき所有しょゆうろくめんかえのう同時どうじいたせい方體ほうたいちゅうてき物體ぶったい;其實わが們也以同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たいてき内部ないぶ,這些わが們在三维空間中看不到的。

きりせい

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類比るいひほう理解りかいだか维度空間くうかんてきいちこう很好てき方法ほうほうただしわが們若經過けいか更進こうしん一步的計算仍不可以妄下結論。以下いか圓形えんけいしゅうちょう公式こうしき球體きゅうたい表面積ひょうめんせき公式こうしき有人ゆうじん可能かのうかいりつそく推論すいろん出超しゅっちょう球體きゅうたいてき表面ひょうめん體積たいせきためあるただし實際じっさいじょう兩者りょうしゃひとしため錯誤さくご正確せいかく公式こうしきため

幾何きか

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四维幾何比三维幾何豐富得多,いんため其額外的がいてき维度提供ていきょうりょうさらてき自由じゆう空間くうかん

さん维空あいだちゅう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ざい四维空間中我們可以從多面體做出胞體よん维多胞形)。さん维空あいだちゅう存在そんざい5しゅせい多面體ためんたい,以かしわひしげ立體りったいしょう;而四维空あいだちゅう存在そんざい6しゅせい胞體ひとししたがえかしわひしげ立體りったい類比るいひ而成。さん维空あいだちゅう存在そんざい13しゅはんせい多面體ためんたいおもねもとまいとく立體りったい),而在よん维空あいだちゅう存在そんざい58しゅはんせい胞體

ざいさん维空あいだわが們可以把圓形えんけいこうだい三维度拉伸形成圓柱えんちゅうたい。而在よん维空あいだわが們可以向だい四维度拉伸球體形成球柱體(球體きゅうたいためぶたてきはしらたい),あるひしげしん圓柱えんちゅうたい形成けいせい圓柱えんちゅう棱體。わが們還以取兩個りゃんこ球體きゅうたいてきふえ卡爾せきいたいち圓柱えんちゅうからだばしら以上いじょう三種均可在四维中“たぎどう”,ただしかくゆう不同ふどうてき屬性ぞくせい

さん维中,きょく綫可以形成けいせいゆいただし曲面きょくめんなみ不可ふか以(じょ互相交叉こうさ穿ほじえつ)。ただしざいよん维中,以曲めん形成けいせいてきゆい經過けいか延伸えんしんいただい四维度而解開。よし自由じゆうさらだい,四维中的曲面結比三维中的綫結要複雜的多。かつ萊因びん便びん其中いちれい。另いちれいためじつ射影しゃえい平面へいめん

ちょう球體きゅうたい

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ざい四维歐幾里得空間ちゅうあずかP0てんゆうしょうどう距離きょりRてき所有しょゆうてんてき集合しゅうごうのう形成けいせいいちちょう曲面きょくめんたたえためさん维球めん。此超曲面きょくめん包含ほうがんてきよん維空あいだちょう體積たいせきため

這是廣義こうぎ相對そうたいろんなかてきはくへりくだ-沃爾かつぶんまわし,其中R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值的隨時ずいじあいだてきだいあるげんてい表示ひょうじ宇宙うちゅう膨脹ぼうちょうある收縮しゅうしゅく,這取けつ宇宙うちゅう質量しつりょう密度みつど[5]

まいり

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參考さんこう文献ぶんけん

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  1. ^ Coxeter, H. S. M. (1973). Regular Polytopes, Dover Publications, Inc., p. 119.
  2. ^ 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 tesseracts in years 1870 - 1910). ISBN 0-19-286189-1.
  3. ^ 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
  4. ^ 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
  5. ^ 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

外部がいぶ链接

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