人類如何感受到四維空間?

按照我的理解,人在一隻眼睛的情況下,看到的是三維在二維上的投影;因為兩隻眼睛的存在,兩個二維投影經過大腦處理就形成了三維視覺。如果人類有第三隻眼(或類似的器官),它能看到加入另一維度的投影,是否就能感受到四維空間?換句說,是否存在怎樣的實驗,能感受到空間四維、甚至宇宙十一維的存在?


劉慈欣在三體中對四維空間的描寫非常漂亮。但我有不同的看法。

首先先下一個前提:如果世界的最高空間維度是四維,那麼不存在物理意義上的三維物體,所有的物體都是四維的,我們看見的「三維物體」都是四維物體在三維世界的投影。
這個前提的由來是:在我們的三維世界,也不存在物理意義上的二維物體。你在紙上畫一個圖案,紙是有厚度的,圖案其實是墨水滲入到紙的三維纖維結構中改變了反光,所以還是三維的。電腦屏幕上的畫面是由三維的發光二極體組成。分子是三維結構,原子也有體積,中子質子在粒態的時候也被認為是三維球體。。。事實上根本找不到只有面積沒有體積的東西。以此類推,如果世界是四維的,那這個世界中所有的東西都是四維的。當然了,這不妨礙這個世界的智慧生物只能體驗三維或者二維——那是它們自己太弱,不能怪宇宙。
當然這個前提未必是正確的,純屬娛樂,想娛樂的可以看下去。

作為三維人類,你只能感受四維物體在一個三維世界,也就是你生存的這個三維世界上的投影。這一點很重要。四維世界包含無數個三維世界。

我們姑且認為我們目前的這個三維世界是{x,y,z,0}. x,y,z是你能移動的三個方向。第四個方向也就是第四維,你無法移動,因為你不是高維生物,所以我們等同於被固定在了第四軸「0」的位置。你的「視角」也被限制在了三維空間之內,無法在第四軸有所變動。你的眼睛也根本無法體察四維物體在第四軸上的形狀。所以我不能贊同《三體》對四維空間在視覺上的描寫:

從四維看三維時,由於三維事物在各個層次上都暴露在四維視野中,原來封閉和被遮擋的一切都平行並列出來

我認為人眼只能看見三個維度(事實上只能直接看見二維,第三維需要通過視差來間接觀察),對於第四維是完全無法體驗的,所以人不可能從第四維觀察物體。

再看這一句:

我們在三維空間中稱之為廣闊、浩渺的這類東西,會在第四個維度上被無限重複

假設一個四維高級生物把你在第四維移動了一點點,你現在的位置到了{x,y,z,1},你會看到什麼?你會神奇地看到三維空間在第四維上無限重複嗎?顯然是不對的。因為{x,y,z,0}和{x,y,z,1}在性質上沒有任何區別,它們都只是四維空間的投影,唯一區別只不過是第四軸的值不同。既然如此,在第四軸上被移動怎麼會賦予你突然可以看見第四維的超能力呢?

我們再把《三體》這句話重複一下:

我們在三維空間中稱之為廣闊、浩渺的這類東西,會在第四個維度上被無限重複


黑體字部分是一個很有意思的設定,但未必是正確的。我們已經認為所有的三維物體都是四維物體在三維上的投影,那麼是不是每個四維物體都是三維物體在第四維上無限重複呢?未必。考慮一個二維物體——也就是一個三維物體在二維面上的投影——一個圓柱體可以被認為是二維圓形在長度軸上的無限重複,球體就不是。其他形狀不規則的東西就更不是了。

我們這個世界是四維世界在{x,y,z,0}上的投影。現在你到了{x,y,z,1},視覺上會是什麼效果?很難說。如果劉慈欣的說法是對的,三維空間只不過是在第四維度上無限重複,那麼你運氣好,你在{x,y,z,1}看到的東西和在{x,y,z,0}看到的東西別無二致,你分辨不出有什麼不同。如果不是這樣,你就完蛋了。你依然只能體驗三維——或者說,四維物體在三維世界的投影,但是現在投影的形狀不同了(因為第四軸的值變了),導致你看到的每一樣東西都變了形,也許會變成你根本無法理解的形狀;這個世界也成了一個你完全無法理解的世界。也許你看到的每一個物件的「表面」都被重新定義了,因為我們熟知的物體「表面」只不過是那個物體在{x,y,z,0}的投影而已,到了{x,y,z,1}, 可能原來的「表面」成了物體的內部,物體的內部投影成了新的表面,於是你看到的不是人,而是一堆血淋淋的腸子腦子在那裡走來走去。同樣的,在正常世界{x,y,z,0}看你,你也是一堆血淋淋的腸子腦子了。當然這只是一種猜想。也許你會跳到一個截然不同的世界,因為與{x,y,z,0}相交的四維物體未必與{x,y,z,1}相交,反之亦然。


前方高能,數學學渣請速速後退,看完後造成精神分裂、腦細胞死亡過多者,概不負責。

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人類的局限性使得我們無法在大腦中構建出四維的空間和物體,但是可以了解一些有趣的現象?

開始,先介紹一下四維的一些奇怪現象;然後從二維模擬三維,我會說明,進入四維世界後的情景和奇怪的現象,解釋下我們在這個異世界能看到寫什麼;接著假設存在四維人,他們看我們的三維世界是什麼場景;最後幻想下,如果存在四維空間和二維時間——六維時空的神奇世界。

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四維世界的物體我們稱之為「超體」,超體有許多奇怪的特性。以邊長為1的超正方體為例,它的表面積是8立方米。估計有些人立馬要跳出來,表面積怎麼出現立方米了?事實是,對四維空間來說,三維的體只是一個面,四維超體的表面就是三維的。超正方體的表面(表面體)有「8個立方體(胞),24個面,32條線段,16個點」。更奇特的是,如果我們把超正方體的「表面」展開,如同我們把正方體表面展開成一張紙的情況,就成了1

同理,三維球的體積是(4/3)πr^3,但是四維球的「表面積」是2(π^2)r^3,也就是說,完美的四維球的表面是一個類似球體但絕對不是球體的玩意兒。

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現在我們先假設有一個二維世界的二維人——小二,他的世界是怎麼樣的呢?他用兩條腿就可以站立,而他的腳是線狀的,且處於同一條直線上。但是如果進入三維世界就不行了,他的腳這樣放,很難保持平衡,為了讓一個物體穩定立在三維世界中,我們最低需要3個不在同一條線上的點接觸表面,他的一條腿必須向第四維度彎曲,才能站穩。但是他不能動,一但動了,只有一隻腳在平面上,極其不穩定,需要增加接觸點,於是為了自由自在地行走在三維世界,小二不得不讓身體向第三維度彎曲,採用兩隻腳+一隻手在地面的「行走」姿勢。

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好了,下面我們來欣賞下人類進入四維世界的場景。前面我們說了,四維世界的表面是三維的,數學公式很容易就可以推出,為了穩定在四維世界中,一個物體最低需要4個不在同一平面的點接觸表面體,即兩條腿的我們只能站著不能動,一動就倒了,為了行走,必須將第三條腿向第四維度摺疊,接觸到表面體才能「行走」,情景請自行想像……

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當然了,為了讓大家能順利地站起來我們忽略了很多物理定律,挑最簡單的說。我們都知道粒子間有4種基本力「萬有引力、電磁相互作用力、弱相互作用力、強相互作用力」,根據科學研究,萬有引力本身就可能是多維間作用的力,沒什麼問題,但是其他三種力都是在三維中起作用的,進入四維空間後,力會在第四維起作用,於是力本身就大大地減弱了。要知道,粒子間的力是無比精緻而脆弱的,有一點點變化,粒子也就不存在了,也就是說,當你從三維進入四維時,構成你身體的原子會在瞬間分解,所有的原子都不存在了,你將遇到有史以來,最最徹底的灰飛煙滅,真正的渣都不剩一點。

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四維世界的場景我們說完了,下面是重頭戲,那就是,如果我們進去後還活著,我們看到的世界是什麼樣的?

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來,我們先把小二拉回來,看看他眼中的世界是怎麼樣的。在二維世界,他看到的不是一個面,而是一條線,可以是直線,也可以是「非直線」。如2

他可以左看到牆的邊界,即5號虛線,或者右看1234四條虛線的綜合線,然後在大腦中還原景象。然而,當他進入三維世界後回頭,卻並不能看清整個二維世界,因為他只能「看」到線,他像掃描一樣,每次看一條線,因此他只有從頭到尾看(掃描)無數次後,才把所有的線組合起來成為一幅二維畫。

大家都覺得我們的眼睛看到的是三維世界,但是這是錯誤的,我們眼睛看到的實際上是二維畫,是各個三維物體的表面,然後再由大腦加工轉成三維模型。於是,我們進入四維世界後,我們以上帝視角看著三維的地球,卻悲哀地發現依舊不能看清一切,我們擁有透視眼,但是,信息量過大,大腦沒辦法在同一時刻把所有畫面整合起來。

為了更形象一些,我們先暫時回到三維世界。拿一部手機出來,將其壓縮到極致,只留下薄薄的一層有個字的透明屏幕,同樣的再拿出1000部,每個屏幕都顯示著不一樣的字,將他們摞在一起。這樣,我們就構造了一個偽四維空間的三維物體X,所有的屏幕都亮著,我們似乎能看到每一層屏幕,可惜由於互相遮擋,一個字都看不清。好了,現在你把X拿到四維空間,剎那間,一切都明朗了,每一層手機發出的光線都能不受阻擋地到達我們的眼睛,我們看到了每一層手機全部的光,也就意味著所有的字我們都能看清了。可惜啊,大腦表示光線超標,信息過量無法構建空間,這時候有就有了兩種可能性,A大腦徹底罷工,我們看到了一切,卻由於大腦容量不足,造成過度堵塞,變成了完全的瞎子。B大腦啟動了分離程序,提取了某一層屏幕,看到了這個字,然後提取另一層屏幕,看到了另一個字,到最後,我們看到了所有的字(理論上有無數個字,我們將其忽略近似為每層都很薄,就看到了有限個字,只要夠薄,這對我們的理論就沒有影響)。恭喜,從現在起你就是擁有透視眼的二娃了,是不是很高興?想看什麼看什麼,完全不受束縛。很抱歉,你看不到,因為理論告訴我們,你每次只能看到一個面,一個標準二維的三維截面。當你看一個蘋果時,你不能看透表皮直達果肉,你每次只能看到蘋果的一個有果核有果肉的截面,把蘋果全部掃描一遍後,才能知道這是個蘋果。你熟悉的那個世界已然消失不見,到處都是標準的二維截面,而只有看了大量的截面後,你才有可能在腦中建立起所見物體的三維模型。

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上面是我們在四維觀察三維物體時的狀態,當我們去看四維物體的時候又會看到什麼呢?

你們人類的語言太貧乏了,我找不到合適的語言來形容,哪怕是類比都不行,下面鏈接的視頻,是不同形狀的四維超體穿越我們三維世界時留下的投影(截面),從6分50秒開始。這個系列的視頻,非常非常非常的有意思,強烈推薦大家去完整的看一遍。

[Dimensions][03]四維空間[上] 視頻

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看過四維超體的截面了,回到剛剛的問題,我們在四維空間看向四維物體時,看到了什麼?

答案是……與我們在三維空間看到的截面幾乎一樣。上文已經提到,我們眼睛看到的是二維畫面,且無法在第三維度上無限結合,而四維物體的表面是三維的,即我們看到的是四維物體的三維表面體的二維截面,並且由於局限性,我們看過大量投影后還是沒辦法把這些二維截面在第三維度結合起來,更不用說再把所有的完整三維體在第四維度結合起來了,四維超體對我們依舊是不可見的。


(類似於看三維物體時的AB一樣,看四維物體也有兩種可能情況,我們選取了B,即大腦會啟動分離程序獲得可用的光信息,而不會因為接受到過度的光罷工。)


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說完了超體,我們再拉出一個四維的人來,「超體小四」,看一看四維人眼中的世界。

小四首先看到了地球,他看到了我們這些螻蟻的表皮,更是由表及裡,看到了我們的肌肉、心臟、血管等等,不僅如此,8848米高的山峰,11000米深的海溝,深達地幔,最後直抵地心,這一切都是他「同時」看到的。隨著時間的推移,他看著整個地球,太陽,星系的演化,一切盡在眼前。

至於四維人眼中的四維世界,處於完全未知狀態,僅可由數學語言描述,我們略去。

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最後我們腦洞大開一下,小四是生活在四維空間+一維時間,即五維時空中,再加一個時間維度的話,我們來到了四維空間+二維時間的六維時空宇宙,假設存在一個「超時空小四」,他看向我們的地球,不僅看到了現在的地球,也從地心到地表,看到了過去的和將來的地球。實際上,他目睹了30億年後銀河系和仙女系的大碰撞,夠幸運的話還能看到50億年後太陽的終結,他看到了宇宙的開始,也見證了宇宙的終結,而這一切對他來說,都是在同一個時間同一地點發生的,這就叫做「上帝視角」。


四維空間和把時間當做第四維的四維時空不是一個意思吧?樓主問的應該是相對於二維空間--三維空間--四維空間這樣直接多出一個維度的空間吧?

首先我先給出我的觀點:除非真的與之接觸,否則單憑想像恐怕無法圖形化的描述出真正四維時空的樣子,因為人類世界本身存在於於三維時空中,即使真有一個將我們內部完全暴露出來的第四維,我們也無法在三維世界中將其描畫出來。

但如果一定想要描述的話,我覺得首先必須理解四維人是怎麼看東西的,我們身為三維人,觀察世界使用的是二維的切面,這就是為什麼我們能用一張紙畫的畫或者一張照片來描述我們觀察到的影像,如果存在一個二維人,那麼他看到的就是一維切面,即一條線,一維人則應該只能看到點,那麼可以推斷,四維人看到的東西是真正的三維切面(不是三維影像,我們三維人無法想像三維切面的樣子)。形象一點描述,在三維世界,你看得到我的臉,說明你看不到我的後腦勺,更看不到我的大腦,而且從不同的角度看我的頭成像也是不同的,但對四維人來說,不僅我的臉和後腦勺可以一起看到,就連大腦和血液也能展現在他的面前。就像我們在紙上面畫一個人臉,不管我怎麼調整這張紙,最多會出現上下顛倒的感覺(這是第三維在其作用,即立體感),但這個臉不會因為我把紙顛倒過來就變成另外一種樣子。

劉慈欣的《三體》中用一種側面方式描述了四維空間,比如當面拿出別人的心臟,看起來很玄,但我認為這種描述中其實使用了一個技巧,作者並不是描述升維,而是運用了降維,即把三維空間人看成二維生物,把四維空間人看成三維人,這樣就能很容易的描述出那種心臟的場景。

根據flatland(譯名為二維世界或神奇的扁平國,有小說和動畫,推薦對維度問題有興趣的朋友看一下)這部作品描述的二維世界看來,我們三維人看到二維生物的時候,會看到他的全部(外部身體+內部臟器),而他們相互之間看來,對方都是一條線(如果此人是一個圓形,那就是一條有陰影漸進的線)或者一個點(如果一個人長相是一條直線,而他又用端點對著你的話就會看起來是一個點,點的殺傷力巨大,因為在二維世界這幾乎跟隱形了一樣,而且還很尖銳……),因為無法從第三維看到整體。
一個圓形的二維人,他的臟器大腦之類都被包裹在圓形的身體里,對其他二維人而言,他的臟器是不可見的,但在我們三維人看來根本一目了然,只要我們願意,就能在不觸碰他身體外部(圓形外環)的情況下拿走他的大腦(圓形內部物品),對其他二維人而言這就相當於是這個二維人的大腦憑空消失了。這就是劉慈欣描述的不傷身體取走大腦的二維表現。

我總結一下
這個文章標題是:人類如何感受到四維空間?
我的己見是,除非我們進入真正的四維空間,否則三維空間世界裡是絕對看不到畫不出四維空間的,我們身為三維人,想像四維空間最好就是先把二維空間和三維空間的差距進行類比,然後替換為三維空間和四維空間之間的差距,這種差距無法圖形化的表述,但究竟差距有多大我們可以進行一個比較與體會


只有你的想像能夠帶你飛。再多的眼睛也不會讓你感受四維空間,因其結構在三維空間中,無法擁有四維視野。你的肉體永遠無法走進,接觸,感受四維空間。你只能在精神上感受。

如果你的腦中想像不出第四維的方向,無論做什麼也不能感受到四維空間。你最多只能聽懂四維空間在三維空間的類比,或者看懂四維在三維的投影。

而我寫這篇文章,幫助你在腦中尋找通往四維空間的方向。當你在腦海中出現第四根坐標軸,這比任何生動形象的解釋都更有用。

注意此答案是我個人在學習四維空間之後,想了很久出來的系統學習法,寫這些只是為幫助更好理解四維空間。以下是我給出的方法,請大家循序漸進。就好像要了解面,必須要了解線和點。

比較系統的的學習方法分為三個階段:

第一階段:在三維空間中感受四維切片,平行投影,球形投影。

第二階段:根據理解在腦海中構建第四維

第三階段:在腦中的第四維感受四維空間。

下面十步教大家系統學習一個超立方體(Tesseract)。

本文不談第一階段,這已經被討論了千萬遍,你可以在樓上樓下的答主們的回答,或者知乎關於四維空間話題的精華里看到很好的描述,完成你的第一階段。他們的答案對於理解四維空間很有幫助,如果你不是很了解四維空間。請看看他們的描述之後再來看此篇文章。注意他們給出的平行投影雖在二維屏幕,但是你是在三維空間想像。

你既然能在一個二維屏幕上面感受到三維空間,那麼要感受到四維空間,你要做的是想像無限個屏幕重疊。

第二階段

第1步: 代數上理解超立方體。

平面上正方形的方程為

0&

則立方體的方程為

0&

而超立方體的方程為

0&

w是新的坐標軸,你現在不需要想像,只要理解為什麼超立方體是這麼表示。

把0&

沿著三個不同的方向,我們能在一個立方體表面找到6個正方形;

沿著四個不同的方向,我們能在這個超立方體的表面找到這麼8個立方體:

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第2步:為什麼在四維空間,把三維空間稱為三維膜。

這個膜的意思指無厚度,而不是指三維空間里的一個平面切片。三維空間是四維空間的一個切片。一個三維物體只有長寬高,不管你在四維空間中如何擺放,總有一個方向,它是沒有厚度的。

如果你把眼前的屏幕想像成一個三維膜(實際上是二維膜,所以需要靠你想像),那麼

以下兩種方法可以幫助你想像w軸,但前提是你想像力必須大到可以同時在腦中印象大量的立方體。如果要想像四維空間,必須同時印象大量的三維空間;就好像你想像三維空間的時候,你腦中印象大量的二維空間。

  1. 想像你有透明的200張紙,每張紙厚度是0.01,如果在每張紙上面畫每張紙代表不同的w值,從-1,-0.99,-0.98一直到1為止,按w對應的值畫出200個立方體在這些紙上。這時便在一本三維書上畫出了一個超立方體。
  2. 四維空間很難想像,但是我們已經生活在了一個四維時空,我們想像三維空間+一維時間是沒有問題的。我們也可以先把時間當成w方向處理。把每個三維圖像在w軸方向發生的變化從腦中過一遍。然後再把時間當成x方向處理,想像圖像在x軸的變化,描繪出每個yzw三維膜內的圖像。熟練之後請你把所有時間發生的200個三維圖像同時在腦中印象,你就能體會到四個互垂直的方向。

觀察下圖
x, y, z軸在這個屏幕裡面,而且三條坐標軸兩兩垂直。
這個想像在我們的世界裡是反常識的,但是在四維空間里是正常現象。請你努力想像,努力把這個屏幕想像成一個沒有厚度三維空間。
為什麼說三維空間沒有厚度?因為在四維空間中,任何三維物體沒有在第四維方向上的長度。

第3步:新的方向

這個方向不同於你認識的任何方向。將你的手指垂直立在屏幕上,此時努力想像你的手指垂直於這個屏幕。垂直於屏幕里的三根坐標軸。現在覺得你x軸是否為第四維的方向?如果不是,說明你還沒有把屏幕想像成一個沒有厚度的三維空間,請回到第二步繼續。

第三階段

如果你成功完成了第二階段,那麼恭喜你打開了新的世界,這個世界比三維世界大無限倍,因為四維空間包含無限個三維空間。

如果有時間,在第三階段開始之前,把知乎關掉,請自由思考,讓自己在這個新的世界裡暢想。這個新的世界無比的廣袤,你可以想像關於那裡的一切,你可自由在這個空間中創造物體,也可把我們一件三維物體放到三維,但是你會發現這東西不好用,需要四維結構上的改造。這是一件極其自由,快樂和神奇的體驗。一萬個人有一萬種想法。

如果你是游泳教練,你可以想像怎麼在四維中更快地游泳;

如果你是語言學家,你可以設計更為精簡的立體的文字;

如果你是藍翔畢業,可以設計一個在四維空間中的使用的挖掘機,你很可能是第一個!然後被世人尊稱:四維挖掘機之父;

而答主對幾何略有拙見,所以想出來了下面這些。

建議你先去想,再來看,很有可能在你想過之後,認為我在第三階段的介紹都是廢話。

第4步:新坐標軸

在這個世界,有4根坐標兩兩垂直。

1: w坐標軸與原有xyz空間僅有一個交點

2: w坐標軸垂直於xyz空間(一條線垂直於一個空間是指,這條線垂直於這個空間里的每條線,每個面)

3: w坐標軸可與xy平面構成一個三維空間,一個垂直於z軸的空間。

4: 經過任意一點,必定可找到4條相互垂直的直線,這四條直線必定可經過xyzw軸旋轉平移得到。

5: wxyz 可以任意互換,所有描述依然成立

第5步:新坐標軸上的方形

當x軸朝著垂直屏幕方向平移時,產生xw面。想像x軸上一條邊在w方向平移,產生在xw面上的方形。

第6步:新坐標軸上的立方體

取屏幕中立方體的一個面來堆疊成新的立方體。注意要取xy面和xz面想像,yz面是個正方形沒有想像難度,而xy和xz面在屏幕上的投影是菱形,雖然他的投影是菱形但是你知道他本身是正方形。所以你腦中想像出來的是一個立方體而非斜方體。

於是你便能理解xyw三根軸形成一個展開的三維空間。

第7步:完整的超立方體

一邊看著圖,一邊把屏幕在垂直屏幕方向平移。這個立方體會在你的三維空間留下軌跡,而這些連續的軌跡便形成一個超立方體。

或者想像有無數或者幾百張屏幕堆疊到了一起,此時立方體的堆疊就是超立方體。他的四維體積為他的三維體積乘以堆疊高度,也就是這個物體在四維中佔用的空間。

立方體有六個面,沿第四個方向平移後,每個面都形成一個新的立方體,加上移動前和移動後(或者第一張屏幕和最後一張屏幕)的兩個,其表面一共有八個立方體。

請把這每個立方體都在你的腦中想像,這有助於你更好理解超立方體的結構。

我知道這很難,但是這個沒有辦法。就算在三維空間中同時想像八個立方體都有點難度。我們可以慢慢來,一個已經想像出來了(比如說xyz),那我們想像兩個(xyz和xyw,xy面是疊在一起的)。

立方體的四維體積為他的三維體積乘以第四位方向的長(堆疊高度),也就是這個物體在四維中佔用的空間。

第8步:認識線,面,體如何在四維空間旋轉

想像四維物體的旋轉,四維物體的旋轉必定繞著一個面進行[注],想想像在手機屏幕上,立方體繞著x軸旋轉。用第二階段的疊加,想像超立方體繞著wx平面旋轉。

*先到這裡吧。不建議你在未完成某步時去想下一步,等待有人更上之後更新。

最後我多嘮叨兩句。

1、新坐標軸

大腦能否來到四維空間,有一個重要的瓶頸。這個瓶頸就是w軸,想像出這跟新的坐標軸便等於在大腦中比其他人多了一個新的空間方向。對於初學者來說,這是一個了不起的成就,大腦裡面能打開一個新的世界,並且這個世界能容納無限多個以前的世界,不得不說這是個很神奇的體驗。到達這一步是一個突破口,有了這根坐標軸作為基礎,就可以慢慢構建出自己的四維世界。

2、無差別性

要不是地心引力。我們的三維空間,長寬高三個方向,是沒有辦法區分的。如果你覺得描述高維空間的第四維方向和原來的三個維度明顯可區分,那就不是空間的維度。這個可以用來輕易反駁時間是第四維的言論,也可以用來自我檢驗自己想像的第四維方向是否有問題。如果有,找出其區別,想一下為什麼會出現這些不該出現的區別;如果沒有,那麼恭喜你,歡迎你成為四維空間俱樂部的一員。

3、降維思考

不管是對於初學者還是四維大師,降維思考都很重要。比如說如果你覺得你看這篇回答像是在看天書不知所云,那你就把我回答里的「四維」替換成「三維」,「三維」替換成「二維」,你就會發現原來這篇文章簡直小學生都能懂。

第9步:簡單四維圖形的旋轉和三維展開簡單四維圖形。

第10步:四維空間中的角度與曲面。

第11步:四維物體的表體積

第12步:四維體積(胞積)

註:可以通過數學方法證明,假設一個四維物體在旋轉。而且該旋轉與x軸對稱,則此物體上面的每個點必定繞著x軸作圓周運動;而此物體作為一個整體,所有在他上面的點的運動只能朝向同一個方向。

則這個點運動時必定在以下平面中的其中一個之中:yz平面,yw平面,zw平面。

假設此點在yz平面運動,則此四維物體圍繞xw平面旋轉。

有好的問題可以來我的值乎提問: https://www.zhihu.com/zhi/people/726360244736782336


引自劉慈欣《三體》系列第三部《死神永生》

首次從四維空間看三維世界的人,首先領悟到一點:以前身處三維世界時,他其實根本沒看見過自己的世界,如果把三維世界也比做一張畫,他看到的只是那張畫與他的臉平面垂直放置時的樣子,看到的只是畫的側面,一條線;只有從四維看,畫才對他平放了。

他會這樣描述:任何東西內都不可能擋住它後面的東西,任何封閉體的內部也都是能看到的。這只是一個簡單獨規則,但如果世界真按這個規則呈現,視覺上是極其震撼的。當所有的遮檔和封閉都不存在,一切都暴露在外時,目擊者首先面對的是相當於三維世界中億萬倍的信息量,對於湧進視覺的海量信息,大腦一時無法把握。

在三維世界裡,人類的視覺面對的是有限細節,一個環境或事物不管多麼複雜,呈現的細節是有限的,只要用足夠的時間依次觀看,總能把絕大部分細節盡收眼底。

但從四維看三維時,由於三維事物在各個層次上都暴露在四維視野中,原來封閉和被遮擋的一切都平行並列出來。比如一個封閉容器,首先可以看到它內部的物體,而這些內部物體的內部也是可見的,在這無窮層次的暴露並列中,便顯露出無限的細節。

對於由無限細節產生的無限信息,生來就是用於感覺和思考三維空間的大腦無法把握,最初都處於信息超載的堵塞狀態。但大腦會很快適應四維環境,無意識地忽略掉大部分細節,只把握事物的大框架。

對於親歷過四維空間的人來說,高維空間感是最難用語言描述的,他們往往試圖這樣說明:我們在三維空間中稱之為廣闊、浩渺的這類東西,會在第四個維度上被無限重複,在那個三維世界中不存在的方向上被無限複製。

他們常常用兩面相對的鏡子來類比:這時在任何一面鏡子中都可以看到被複制的無數面鏡子,一個向深處無限延伸的鏡子長廊,如果作為類比,長廊中的每面鏡子就都是一個三維空間。或者說:人們在三維世界中看到的廣闊浩渺,其實只是真正的廣闊浩渺的一個橫斷面。

描述高維空間感的難處在於,置身於四維空間中的人們看到的空間也是均勻和空無一物的,但有一種難以言表的縱深感,這種縱深不能用距離來描述,它包含在空間的每一個點中。


這就好比教一個天生的瞎子如何感受到顏色,教一個天生的聾子如何感受到音樂,人類天生就沒有感知四維空間的器官,即使通過想像,那也只是一種類比,好比瞎子通過想像也只能知道紅色和綠色只是兩種不同的東西,聾子通過想像也只能知道音樂是一種規律性的東西,人通過大腦想像出四維空間,就算想像得再具體,也只是一種概念,並不是說,四維空間就是你所想像得那個狀態,你只能知道四維空間有哪些特徵,比如說,過去現在未來存在於同一時刻,比如說,上下前後左右都在同一個方向。。。。。。
人類的感覺無非形、聲、聞、味、觸,你所能想像出來的東西,也只會是這五種,不會是第六種,也許會有一種四維生物,當他感受自己所在的四維空間時,不是用看,聽,聞,嘗,摸,而是用另外一種我們不具備的器官來感覺到的


高維空間的概念由19世紀數學家 路德維希·施萊夫利 ludwig schlafli提出,已經有比較完善的體系。這和物理學上的四維時空不是一個概念,四維空間是一個數學上的概念,是一維、兩維、三維的延伸,四維時間仍有時間軸,但是時間軸不是四維空間的一個維度,那個多出的維度仍然是空間的維度。優酷上有一個視頻的搬運,普及了多維空間的概念,感興趣的可以直接在下面看視頻。

我們知道線是一維空間的基本單位,如果一個二維生物要向一維生物解釋什麼事二維單位(比如說四邊形),它該怎麼說呢?它會說你把四條線兩兩交叉放在一起,就形成了四邊形。但是對於一維生物來說,它只能想像四條線頭尾相接得放在一起,卻不能想像它們交叉。如果非要讓一維生物理解二維的四邊形,只能跟它們描述:「把四條線以你們不能想像的方式排列」。

同理,如果要向二維生物解釋什麼事三維單位(比如說正方體),我們可以說把六個正方形以你們無法理解的方式排列,就能得到正方體的表面。但我們要知道二維生物能想像的方式只有六個正方形同時畫在一張紙上。

所以,如果我們想要想像一個四維單位,那麼把n個正方形以特定的方式排列起來,就可以得到一個四維單位的表面。這裡n是一個有限的數,不是infinite, 也許是8,也許是10,是具體什麼不重要。而這些正方形排列的方式絕對不是碼積木那樣,而是以一種我們無法理解的方式延伸到了另一個維度。這是我對這道題能想到的比較靠譜的答案。

再次隆重推薦一下下面這個視頻,形象地演示比我講得更清楚。


視頻封面[Dimensions][03]四維空間[上]視頻
參考引用:
Ludwig Schl?fli
Dimensions Chaptres 3 and 4


上面很多人混淆了 四維空間 和 四維時空(三維空間+一維時間)


我們有兩個眼睛,是因為三個也是浪費,看見的還是三維。

要不然你給電腦按三個攝像頭看看電腦會看見四維嗎?

這個世界就是按三維設計的,你看什麼四維?


中學時候老師講過一個方法讓我們理解四維空間:在三維空間里,你可以通過垂直方向,取出二維平面上同心圓的內圈,而不用碰到(或者破壞)外圈;同理,在四維空間里,你可以通過第四維度,取出三緯空間里封閉物體裡面的東西而不用打開該物體。(感覺黑客帝國里NEO手抓心臟起搏的畫面有點類似這個效果)


你很難感受到四維的時空(就是三維的空間+多出來的第四維時間),但是,四維空間在三維空間中的投影是相對比較容易感知的:

舉個例子或許不太恰當的例子,當你坐車的時候,打開車窗,把手掌放到車窗的外面,閉上眼睛用手掌感受風的形態,如果車速夠快你會有種錯覺自己在撫摸著一種很有彈性的物質,某種意義上,你的這種「彈性物質」錯覺,也就是隨著你手掌變化而變化的三維空間的感覺,其實是這段時間裡面三維的空氣與你的手相對的速度和加速度(四維時間內的變化)向三維空間進行的投影的一部分,如果有種辦法能夠量化你在這段時間內的感受,如果你能閉著眼睛想像出這種彈性物質的形狀,那麼這形狀大概就是在這段時間內投影的全部。

再舉一個可能相對恰當的例子,找一顆小球,再找一根孔徑跟小球致敬幾乎相同但是稍微大點的管子,把小球從管子的一端丟進去,一段時間後小球從管子的另一端滾出來,那麼,這三維的小球在這段時間(第四維)內對三維空間的投影,基本類似這根管子。

大概如此。


簡單的做個對比,也許你會對四維空間的存在方式有所感知:

  • 一個二維空間的圓形,穿過一維空間時,一維空間的生物看到的是一個點擴展成線段,線段長度增大到圓的直徑後開始縮小,最後變成一個點再消失。
  • 一個三維空間的球體,穿過二維空間的平面時,此二維空間的生物看到的是一個點迅速擴大成一個圓形,最後再縮小、消失。
  • 依次類推,當四維空間的「球」穿越我們的三維空間時,我們將看到一個點突然出現,然後擴大成球體,到最大時又縮小,直到消失。

作為二維世界的「生物」是絕想不到三維空間的球長什麼樣子,同樣,我們也想像不出來四維空間的物體是什麼樣子的。四維空間在人類的意識中,恐怕真的只存在於公式里。


二次元神作【平面國】Flatland_其他國家
Flatland: The Movie(平面國)_其他國家


(多圖殺貓)

更改2:多謝評論的提醒,發現原來四維的圖少連了兩條線。。。改過來了,多謝!

更改:改了幾個錯別字及「n點之間的連線即為最簡單的n-1維圖形在二維空間里的投影」,強調了是「投影」而不是實際圖形

初中的時候曾經有一個很有意思的關於維度的想法,現在拿出來跟大家分享,歡迎批評指教。 首先,試想最簡單的一維空間是什麼?任何一條線,直線曲線折線等等,都是一個一維空間對吧?如果說是最簡單的呢?我認為就是一條線段,即兩點之間連線,就是這樣:

那最簡單的二維空間呢?如果不考慮曲線,像剛才那樣用點和線之間的連線來定義?可以是一個正方形,但是不夠簡單,因為去掉一個點,三點之間的連線,還是個二維空間,但如果再去掉一個點,只剩兩個點,那就成剛才的線段了,是個一維空間,也不行,所以,最簡單的二維空間是三點之間的連線:

如果要說規律的話,能否得出「n點之間的連線即為最簡單的n-1維圖形在二維空間上的投影」這麼一個規律?如果從三維空間來看的話,確實是這樣的!如圖:

這是四點之間的連線,可以把它想像成一個三稜錐,陰影面是底面。 那麼,四維?五維?...n維空間,是不是也都能這樣畫出來呢?我也不知道。。。畢竟不是我們生活在三維空間的人里能想像出來的,不過,還是畫出來給大家看看:

「四維空間」

「五維空間」

以上


硬體不支持怎麼搞都是白搭啊。


今天看到一款神奇的應用,可以讓你某種程度上感受一下四維的超立方體。 名字叫 4D。我用的是iOS版,不知道有沒有android版


物理學是一門需要實證的科學。而所謂的「四維封閉空間」完全無法得到物理實驗數據!所以說「四維封閉空間」至今並沒有獲得物理解釋,這麼多年那麼多人吵吵來吵吵去並沒有吵吵出一個能夠為大家共同認可的結論!這個樣子怎麼能讓人類感受到?


先說題外話,題主說的一隻眼睛只能看見二維,兩隻眼睛才能看見三維是不對的。題主說的看到的三維是指人的深度知覺或者距離知覺、立體知覺。大腦判斷深度知覺時會利用很多線索,主要有:一、肌肉運動線索:1、眼睛的調節作用;2、雙眼視軸的符合;二、單眼線索:1、對象的重疊;2、線條的透視作用;3、明暗、陰影等等;三、雙眼線索:雙眼視差,雖然這個是形成深度知覺的最主要線索,但並不代表單眼不能識別立體。這些線索具體就不展開了。

題主說的如果人類有第三隻眼(或類似的器官),它能看到加入另一維度的投影,是不可能的。能看到的維度並不取決於眼睛的數量,而是眼睛和大腦或者說生物自身是幾維的。就像一張紙上的二維平面蟲,它的視線只可能在它所在的平面搜索,永遠不能看到紙以外的三維物體,它只能通過它所在的平面截取的三維物體的截面來推測三維的特性,但它二維思維的大腦是想像不出來三維的樣子的。 當然如果能掌握無數個二維平面中三維物體的截面信息,就能掌握整個三維物體的全貌了(聽起來像3d列印)。因此我們三維生物是想像不出來四維(除開時間的第四維)空間的,我們只能看見四維物體在我們世界的三維投影,也許我們所接觸的所有三維物體都是四維物體在我們世界的投影(甚至包括我們自己)。


放一個盆子裡面注入一半的水,然後繞順時針攪動使水旋轉起來,此時在水中吹個泡泡,泡泡中的空間,就是四維,那繞著泡泡一圈的水流呢,沒錯那就是深受時間影響的三維空間,水流旋轉代表這個空間的一切都隨時間流逝,然而不可逆流,一切都在這條順時針旋轉的水流上,泡泡中的空間屬於四維,則不受時間影響或者說根本就沒時間這一概念,可是其中的人可以隨意看到因為時間流逝而改變的物體自身卻不受影響,他們可以看到三維空間水流繞一周的輪迴其中發生的事。


首先,有沒有真正意義上存在的二維空間?答案是沒有,之前的朋友也說過了。我們現在常說的二維平面,其實也是有三維屬性的。二維其實是三維的其中一個組成部分。這個推論是至關重要的,假設有四維空間,那麼,屬於三維空間的我們,也肯定具備四維空間的屬性。再往下說,如果宇宙是20維,那麼所有的物質其實都是有20維屬性的,只不過由於種種原因,還未發現而已。
所以結論是沒有純粹意義上的二維空間(生物),也沒有純粹意義上的3維空間(生物),我們都是頂級空間(生物)。
那麼我們看看生活中有沒有什麼靈異的現象,鬼魂,穿越呵呵,我瞎說的~


我們習慣性的2維,3維,4維,一維一維的加。其實,有沒有這樣一種可能性,3維就已經到頂了,3維是最終維度,這也是我們為什麼只能感知到3維的原因。只是時間、引力等等,並不是維度,而是和維度相併列的變數。{三維、時間、引力……等等},而不是{長、寬、高、時間、引力……等等}


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