如何評價《星際穿越》中高維空間的呈現?


儘管黑洞中立方矩陣仍是三維的,但這是我見過的最嚴謹的電影中對高維空間展示和解釋。

關於具體解釋,下面直接部分引用我的另一個回答:
2014 年的電影《星際穿越》中有哪些科學上的錯誤? - JohnKwan 的回答
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最初版本的回答:把五維生物創造的四維超立方體實際上是三維的立方矩陣展現在二維屏幕上,諾蘭夠不容易的了,你還想怎樣!
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黑洞里到底是幾維空間?如何展現的
正解:
主角在黑洞中所處的是三維立方體矩陣,但不同於我們的三維世界的是:主角可在矩陣中不同時間的立方體穿梭,因此也可以叫做時空意義上的四維,即空間三維+時間一維,而並非空間上的四維。(我們所處的是空間三維+時間零維)

關於四維到底是時空還是空間的爭論
看看這個吧
四維空間為什麼不是三維空間加上時間? - shellway wang 的回答
四維空間為什麼不是三維空間加上時間? - acel rovsion 的回答
我補上一句,如果高維生物真能在時間真能隨意倒退改變,那我們早就能看到未來的生物了,因為他們會回來。所以四維指純空間,而片中設定的三維+只能用引力干預的時間軸也不違背本條。

展開:
1.電影里導演想表達的是:進入黑洞後進入的是三維立方體,這個三維立方體是五維生物創造的,這是非常嚴謹不會犯錯的說辭。
這一點機器人的一句話加以證明「我遇到了五維生物,他們建立了這個三維立方體」,三維的說法是原字幕。我刷第二遍的時候才注意到,想必很多人在第一遍應該沒有注意,誤以為是五維空間了。

2.我的理解:
導演很想展現進入黑洞後是四維世界,因為呈現的是「超立方體」,而且有時間的流動,不同的立方空間就是不同的時間,所以我理解的是導演想表達四維,但目前的技術無法實現。
更何況,就算是在四維,男主也只能在三維空間中行動,無法在第四個軸上移動的,所以They就創造了便於男主行動的三維立方矩陣,而時間這個軸由於三維人類本來就無法移動,所以就做成了一個一個的可以互相穿梭的三維空間。
你可以發現,男主進入立方矩陣後,只能三維移動,而進入一個立方體時,立方體內的時間流逝是正常速度,男主無法變速或者倒回,要換時間點只能空間移動到下一個立方體。
超立方體 不等於 「超立方體」 ,打了引號的是偽超立方體,下一點會解釋。

3.為什麼是三維立方矩陣不是四維超立方體?
心慌方2的立方矩陣(僅僅在片尾做了一段超立方體的特效,片中的表現不是很嚴謹,就不展開了)

電影中的立方矩陣(以後有圖了補上):相較於三維的矩陣,電影中的矩陣中每一個立方都是一個時間,主角可以在不同的時間中用三維運動的方式進行穿梭,所以也可以理解為四維時空,但就空間來說,是三維無疑。

因為:電影中四維「超立方體」的呈現基本上和《心慌方》的「超立方體」表現形式差不多,仍舊是三維的立方矩陣,我想這就是機器人說是三維的原因了,因為作為一個三維世界的攝像機,去拍四維世界是無法通過現在的特效水準呈現的,因為我們看到的永遠是四維世界在三維的投影

真正的四維世界在三維的投影,有一段視頻可以參考,是幾個數學家演示的:
上:
視頻封面[Dimensions][03]四維空間[上]視頻下:
視頻封面[Dimensions][04]四維空間[下]視頻
相關問題:
為什麼掉進黑洞就進了四維世界?
答:如果你在二維世界的一張紙上,紙上有個洞,你跳進去了發生什麼?當然是進入三維世界了。
電影的黑洞設定和我們平時所學的有所區別,而片中黑叔叔也解釋了這是一個「溫和的」黑洞
為什麼五維生物能在黑洞里創造四維甚至三維空間?
答:你作為三維生物是不是能隨心所欲的在二維平面上畫畫?
低維生物是無法看到並理解高維世界的,而高維生物可以對低維世界為所欲為,這個我們只能逆推腦補。

贈言:這個影片的科學框架太龐大了,環環相扣幾乎無懈可擊,除了多看看影評和其他知乎答案外,建議多看幾遍電影。

我才刷第二遍,有些表達也不一定準,我會擇時刷第三遍,到時候再補充。


跌入奇點之後就是諾蘭兄弟的腦洞了。由於奇點是未知的,他們可以隨便想,索恩說只要不拍地獄和撒旦就行了。這倆兄弟弄出來一個超立方體。

這個超立方體,是本片最大的亮點,也是最大的謎團。我也沒有想明白。有兩種可能:第一,這是一個真實的高維時空在我們宇宙的切面;第二,這是未來人類為馬修做的一個操作系統,正如同你的數據在硬碟並不是存放在一個文件夾之內的一個文件夾,只是為了便於你操作而畫出來文件夾一樣,這玩意也是便於馬修操作引力造出來的。

總之未來的人類在奇點裡放了一個超立方體。按照弟弟的說法,超立方體使得馬修從我們的宇宙中抽離出來了,就像把一個立方體放在二維的平面上,一個二維的小人進入了這個立方體,隨著這個立方體的運動,他進入了一個更高的維度。但是由於他是一個二維的人,他看不到更高的維度,只能看到更高維度在地位的切面,例如,他看到無窮多的平面,正如馬修看到無窮的空間。

超宇宙和我們宇宙的不同在於,由於時空的扭曲,超宇宙運動一段路程遠遠小於我們,所以在沒有超光速的情況下,超立方體帶著馬修回到了地球,並對接到馬修女兒的卧室。然而這個卧室呈現給馬修的,是無窮的空間。

假設你是二維的馬修,你被超立方體帶來了二維女兒的房間,你看到的女兒的房間仍然是二維的,只不過你可以上下移動了,所以你會看到無窮個二維的女兒的房間,假設時空是三維的,那麼就有無窮個女兒的房間沿著z軸排列,從而組成這個立方體,這個z軸,就是時間軸。

超立方體也是這樣,不同的是,這時候切面不是二維的,而是一個三維空間,無窮的三維空間組成了一個立體像棋盤,裡邊有無數縱橫交錯的三維長條。這些長條是一個立方體不斷向六個方向延伸形成的,這個延伸就是時間,這樣就形成了無數個長條狀的長方體,兩個長方體相交的話,就組成了四面牆,再和第三個垂直於這兩個長方體的長方體相交,就組成了六面檣,這六面檣的小房間,就是馬修所在的地方。

注意,長方體以真實時間的速度運動,也就是對於馬修來說,當他凝視一面牆,那面牆所代表的空間不斷被下一秒所代表的空間替代,對於馬修來說,他就可以看到一個運動的空間,這個空間的時間流逝和真實的世界是一樣的。不同的是,在這裡是下一個時間點的立方體替代上一個時間點的立方體。時間在這裡實體化了。

按照諾蘭法則,馬修無法突破這個實體化的維度,不能回到過去,光也不能。但是馬修發現他努力拍牆面,檣對面的書會掉落。是因為他改變了物體的時間線。一個時間線就是連接物體所有事件的線,把一個點在時間上的軌跡連接起來是一個時間線,把世界上所有點的時間軌跡連接起來就有無數條時間線,於是就有整個世界的時間線。

馬修拍掉書的機理是:馬修改變了書的時間線,於是改變了下一個要到來的立方體內書的位置,隨著時間的流逝,下一個立方體到來,於是在馬修看來,正是他拍掉了書。

馬修之所以能夠改變時間線,是因為引力波的存在,從人類到光都無法通過時間維度逆向而行,但是引力波可以。於是馬修通過改變手錶(本年度最佳植入廣告,可惜太貴了買不起)指針的頻率傳遞數據,女兒終於找到了函數的真正形式。

這個時候馬修就被送到了土星軌道。按照電影的設定,超立方體的時間是不被減緩的。因此最後所有的時間減緩都在逃脫黑洞時產生,因此馬修進入土星已經是好幾十年後了,安妮海瑟薇其實也剛剛登陸。

然而這裡有一個非常費解的問題:馬修是如何被送回來的?為什麼他送回來的時候會和過去的飛船相交,然而他的起點和終點都是未來?雖然這個橋段非常有詩意,但是。。。。

一個可能的解釋是,馬修仍然被超立方體送到土星軌道,只不過送的時候不小心穿了一下蟲洞,由於超立方體能夠把時空分解成沿時間延伸的無數空間,在碰到蟲洞的時候,也把他周圍的時空分解了,所以未來的馬修在未來超立方體分解未來的蟲洞時,看到了過去他們飛船在過去蟲洞飛行的像。


從低維仰望高維,還停留在公式中,對具體場景的想像,只能是臆想。反正沒有現實可以驗證,那麼無論如何臆想都不錯,諾蘭要做的只有兩件事,第一效果絕倫,第二符合邏輯。

效果我覺得一般,沒有被特別震撼到。但從我的知識水平(民科級)上看,邏輯是嚴密的。下面稍微細說一下邏輯:

首先,第四維度不是簡單的我們所理解的時間。影片中黑人科學家為男主科普蟲洞的時候舉了個非常好的例子,如同三維空間中可以將二維空間的平面摺疊,將兩個距離遙遠的點連接在一起一樣,四維空間可以對三維空間做同樣的事情。

其次,四維空間不能任意妄為。雖然第四維不是時間,但維度越高對時間的控制就越容易。根據狹義相對論,在三維空間中,運動可以延長和縮短時間。但不能讓時間倒轉。在四維空間,對時間的操作就更加簡單和廣泛,但還是不能改變歷史進程。那這事兒就交給五維空間了吧!電影讓「他們」做為五維空間的人類干預歷史進程,誠意滿滿

第三,五維空間也不是萬能的。無論處在第幾維度,都要受到該維度的限制。比如我們在三維空間,想像面前的一張紙(所在的平面)中存在二維生命(不是細菌神馬的,那是三維的),那麼我們能不能化身這二維生命中的一員,出現在他們面前,和他們交流,掌握他們的生殺予奪?不能,你甚至進不到他們的世界中。面對二維空間,我們被「困」在三維空間里了。因此電影里「他們」也想盡了辦法,利用男主進入黑洞的機會窗口,無聲無息的引導男主改變歷史

第四,高維生命如何對低維空間施加影響。二維生命對其所在空間的物理量是懵懂的,正如我們也不知道在三維空間中的各種物理量的本質是什麼。根據廣義相對論,引力是質量引起的時空扭曲。從高緯度來摺疊低緯度,正是改變了引力場。五維的「他們」製造了這樣一個空間,允許男主能夠影響一個小範圍區域(僅僅是一個房間)的引力場,從而引起各種古怪事件的發生。

=======2017年的分割線

最近又重看了一遍,認識到自己的錯誤,對原答案做了有限改善。期間誤導了很多人。對不起大家。主要修正了兩個觀點:

  1. 「他們」是未來的人類,也許是有意識的拯救計劃,也許是某個個體的偶然發現和一時性起的行為。甚至也有可能是男主在影片結尾時開始的星際航行中的新際遇。
  2. 男主在黑洞中所墜入的不是五維空間,也不是四維空間。是五維空間的人製造的幫助男主能夠改變歷史的通道。這個通道必須在黑洞中實現。這個通道是狹窄的,而且仍然屬於三維空間,只不過能在第四個維度上中有所延伸。

我發現很多朋友都對電影中的維度有一個錯誤的認識,特此來簡單寫清楚維度的關係和構成。

維度的理解從理論上與不講超齣電影範疇的表現信息,從最基礎的開始。

簡單地說就是 三個維度 一個立體構成。

首先確立一個維度準則:低維度對高維度只能觀察並紀錄,無法干涉。間隔僅一個維度。即一維可觀察二維確無法感受三維。反之,高維度包含低維度,因此可以反向干涉。
好了,第一維度,長度,即線條,點與點的構成。
第二維度,長度和寬度,即線條封閉構建成的面積。例如圓,正方形,長方形,或任意無規則圖形。
第三維度,長度寬度高度,即在面積基礎上有了容積,我們的世界就是具有容積的世界。不用具體例子了。

開始講第四維度,三維已經構成了一個世界,那麼更高級的維度,時間,是否是一個世界呢?錯!三維世界之上的構成還是新的線條,即第四維度時間線條,包含過去現在和未來,舉個栗子:你的出生是線條起點,你的死亡是線條終點。相對於時間本身時間線是不斷延伸發展的,即無限長的時間線。

好,根據維度准測,低維度對高維度僅能進行觀察和記錄,看看手錶,看看電影時長,看看各種聊天記錄的時間碼,看看延時攝影拍攝的雲捲雲舒花開花落,對!這就是我們三維世界對四維世界的觀察和記錄!但是我們不能干涉它,讓它停滯或者回歸到某一個時間點。要從三維視角看,若能干涉,即三維世界中可以倒轉看見到花敗變花開。但反過來我們只能在四維的紀錄中倒放影片。這就是四維對三維的干涉栗子。
不過正因為我們處於三維,所以不能進入四維時間逆向干涉真實的三維空間。

好了,更高維度,依舊不離開電影的範疇,影片已經道明,第五維度與時間線長度穿插的是引力,時長和引力寬度構成了一個完美的無限增長,無限面積的圓(亦或者任意的幾何)。面積中包含了時間線上所有的的事,參考圖形面積可以構建任意幾何畫面(請腦補漫畫),因此第五維度就是電影呈現的,包含引力線條的平面畫面。當然,第五維度是跳躍過第四維度的,實際樣子未知,但可以利用低維度的參考進行高維度的假設,電影畫面呈現的是諾蘭所假設的五維世界。即包含真實三維世界的,平面五維世界。

好,下面就是重點:
根據電影表現,庫珀干涉的是五維引力場,影響四維時間線,改變三維世界。根據維度理論,高維度影響低維度,反向推導,其實庫珀本身並不是在五維,而是六維空間。
舉個栗子:維度之間只能進行低維度干涉,你可以燒毀漫畫紙張等湮滅二維世界。

如果庫珀在五維,它本身是不可能跳出時間引力場的面積,進行觀察和干涉的。

即,人類是不能再同一個維度一根指頭毀滅世界,就算你把地球炸了依舊有太陽火星土星等其他物質,你也不可能任意穿梭地球任意一個地方。即同維度不能進行同維度的干涉,只能做基本動作,即生活。

二維的鳴人就算是一千萬尾附體也不可能湮滅自身存在的二維世界。

自身就是五維引力場,如何干涉引力場?

因此,庫珀是在第六維度的具有時間容積的一個區域,作為一名可以任意觀察的平面五維世界六維人,進行五維度干涉,影響四維時間,改變三維世界。
但正因為第六維度,根據三維一個立體構成的準則,在沒有脫離電影範疇和影片信息之內,並沒有告訴我們是什麼,表現的就是一片黑暗。
不過諾蘭很聰明,他給這個空間的名字,稱作:超立方體。
立方體,三維的立體,向上推導,即六維的立體。

以上,諾蘭對細節的注重和把握,以及對電影畫面的想像和呈現是非常用心的!!!


注意,終究是有劇透的。

另外,怕劇透也別手賤翻評論...

11月19日 二刷後修正一些東西

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糾正:影片中男主角所在的空間並非五維空間,而是五維空間的生物創造的三維空間。
(錄了字幕,網速卡,晚點上圖)
情況是這樣的,塔斯和男主角一塊進入了黑洞,塔斯聲稱它掉進了五維空間里(圖1),並告知男主角他處在三維空間里。「他們」(高維生命)在五維空間里造了男主角所在的三維空間(圖2、3)。
(以下是與男主角一起掉入黑洞的機器人塔斯的三句話)

1

2

3
也就是說,其實男主角在的空間不是五維空間。
而且三維生物可以到達五維空間,再全身而退,也是奇怪...
所以,可以有的解釋是:高維度生物把掉入黑洞的男主角弄到一個「房間」里,這個「房間」是三維空間,但是高維度的生物在這個「房間」里做了一些類似全息投影的裝置,男主角通過觀測這些由高維度生物投影出來的影像(也就是男主角看見了自己的房間和自己與女兒),體驗到了高維度生物觀測四維空間時的視覺體驗,於是男主角開始與這些影像做互動(推落書架上的書,留下摩斯密碼等等),而男主角的這些行為,由高維度生物通過某種方式親自去完成。
就好比男主角用身體在操作一個可以觀測、影響四維空間的軟體,軟體接收到男主角的操作行為,再通過某種硬體(高維生物的科技手段)把信息傳遞到過去。
這是影片關於片末的空間的描述以及個人的一些猜測。

主人公通過女兒書櫃後的三維空間影響低維度空間,做到傳遞信息,教女兒引力的公式。

簡單的說,那個空間的結構設計成類似「鏡中鏡」世界,是為了便於主人公觀測、和影響四維度空間里,前前後後的每一幀。

要說如何評價電影里那段「書櫃後的空間」所呈現的視覺效果的話,可以說下「在影視作品裡,如何從視覺上描述高維空間?」
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有人說《2001太空漫遊》的最後,庫布里克用一個巴洛克式裝修的房間+頗有未來感的地板,以及主人公看見衰老的自己來表現高維度空間。
據說,小說里並沒有提到這個房間是高維空間,但是庫布里克讓男主角在這個房間里看見自己的衰老的過程,這個現象視乎不是四維空間能看見的。(當然你諾是硬說是外星人讓男主角看見的幻想我也沒辦法..)

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類似的例子還有《超時空接觸》里的最後,高階文明與主人公接觸時,以主人公記憶中的畫面,搭建了一個異色的彭薩科拉海灘,作為接觸的空間。
有人說這個也不是高維空間,我不知道這個是不是,但是如果外星人與人類接觸時,不以本體出現,而是化為主人公父親的相貌接觸人類,還需要製造一個三(或四)維的空間,那能不能猜測他是來自高維度的生物?

舉這兩個例子,主要是想說物理學上還沒有得描述的空間在電影里該怎麼呈現。
這樣的手法基本上是寫意的,因為沒有人知道高維度空間里是什麼樣子的,所以可以按照導演想表達的東西去設計這個環境
以上這些環境的設計,都是過去的作品「填充」那個我們不知道長什麼模樣的空間所用的手法。
其實你看,小說可以直接敘事,不用具體描寫環境,而電影里,視覺是優先順序的,機位、景別不停切,環境只能乖乖地、完完整整地的設計完,否則沒法繼續敘事。

星際穿越里這個模擬高維空間的三維空間的也是需要通過特效來表達的,但因為整部片子的前面部分的設定一直很硬朗,以至於沒法用像上面兩部那樣寫意的手法。
因此,在星際穿越里,片尾的那個空間的視效也基於比較硬朗理念來設計的。

乍一看,星際穿越里的那個「高維度空」間顯得十分異常和混亂,但清楚了我舉個例子就好懂了。


我們假設,影片書櫃後那個類似隧道的空間就像一條條膠片,膠片的每個格子都連著書櫃和書房,每條膠片可能是一個事件,膠片上的每一幀可能是事件的每一秒。

如圖...(隨便畫的,但願能幫助理解...)
主人公上下左右不同移動去尋找他要的那一幀畫面,並且傳達信息,因此有了片子開頭的女兒房間里的幽靈事件。
前面說過,空間的結構類似我們在「鏡中鏡」里看見的畫面,這可能是諾蘭喜歡的效果,盜夢空間也用過類似的手法,但這部片中用這樣的「鏡中鏡」來當男主角所在的那個三維空間的結構,也可解釋是為了方便主人公移動,尋找關鍵事件,反正倆樣都說得通。

而在特效細節上,諾蘭讓空間里的一些細節呈現「線狀」。
這種效果類似與電腦卡屏,導致某層像素不斷向上複製的感覺。
我做了個類似的效果。

原圖↑

模擬影片中的效果↑
為什麼是呈現出這樣「線性」的效果呢?
以前看過一本書,裡面有篇文章描述了一個主宰時間的神,能看見每個人一生的每一個動作,那所有人在他眼裡就像一條很長蟲子。

也就是說物體移動的每一幀,這個神都可以觀察到。

那在視覺上,將得到的是類似以下這個視頻的效果。
這個是OK GO樂隊的一個MV,我很喜歡拿這個mv和別人解釋高維度生命眼裡,低維度生命是什麼「模樣」的。
視頻封面OK Go - WTF? - Official Video視頻

電影里男主角最後所在的「模擬五維空間的三維空間」細節效果是就是做出類似上面這個例子的視覺效果,這個特效的原理是假設四維以上的空間可以觀測到三維物體的運動的軌跡,為了彌補環境細節上的美術,所有用了這個效果。

拿2001、超時空接觸對比星際穿越就可以發現,諾蘭的這部電影的視覺效果,也是順著物理學的一些描述去做的。

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額,關於那個「線性效果」我突然想到,也有另一種可能(腦洞超大系列)。
我們假設...每個書櫃後都是一個空間,書櫃1後就是空間1,書櫃200就是空間200,
空間1到200,有200幀畫面,都是每個畫面變化不大,於是系統(劇情里的高階人類)為了節省主角時間...壓縮了其中198個畫面,於是書櫃1到200之間形成一個空間,是被壓縮的上百個畫面,自然的,會有些線性的效果留在這個間隔上...


昨晚剛看完電影,還與朋友爭論過這個問題。


我認為高維空間在這部電影中的呈現,合情合理,並且運用了觀眾認知範圍中所能接受的一種表現手法。


前面都是鋪墊,結論與重點位於倒數第二段。


首先簡單說一下維度的概念。零維是點,一維是線,二維是面,三維是空間,這些都非常好理解,因為這是人類生存並且能夠自主選擇方向的維度,比如你在一棟大樓里,可以任意選擇前行或後退、左拐或右拐、上樓梯或下樓梯。而人類卻又確是能接觸到第四維的,只不過不能以個人意志來選擇罷了,這第四維便是時間。人處在時間的洪流中,只能隨波逐流,沒有任何方式能夠快進或倒帶。


這時想像你處在一列沒有窗戶的列車上,你所處的車廂便是一個三維空間,列車的軌道,不妨想作第四維——時間。本來你並沒有權利決定列車行走的方向,可是你臨時起意,衝到駕駛室把車給劫了,這麼一來,你便能在這第四維度里前行後退,自由行駛了。當你站在駕駛室,第一次能透過窗子看到外面的世界,你驚奇地發現,原來你的左邊右邊,都是與你齊頭並進的列車。左邊的列車駕駛室里,也有一個你,可正被乘警死死按在牆上,右邊的列車駕駛室,則是一片寧靜,駕駛員正專心致志地駕著車。事實上,在你看不見的地方,有無數列與你平行的列車,每列車上都有一個你,在同一時刻經歷著不同的遭遇,這便是第五維度。把上述每一列列車無限放大,都是一個宇宙。


在電影中,一直含糊不清的「They」,就是一種存在於五維空間中的生命,更確切地說,他們能夠自由選擇存在於五維中的任意一個方向,就好像我們在三維空間中那樣。剛才那列車的比喻,實則只到了能任意選擇第四維度的方向,和存在於第五緯度的境界(就像人能任意選擇第三維度的方向,同時存在於第四維度)。要是這時候,每列列車上的你,忽然有了某種特異功能,都心靈相通了,每一個軀殼,都受一個終端控制,思想能在每一列並駕齊驅的列車上的軀殼間自由切換,這時候便到達「They」的境界了。


言歸正傳,電影中高維空間的呈現,是五維空間中的生命體「They」,為了拯救地球人,為Cooper把時間這個維度具象化而創造的一個世界。可是人類受自身肉體和意識的限制(因為Cooper並沒有進化成更高級的生命),能夠認知接受,並自主選擇的,畢竟只有三個維度而已。具象了時間這個維度,那必然就會抽象一個原有的具象維度。在一般情況下,一個立方體,一維的線構成了二維的面,二維的面構成了三維的空間,三維空間的變遷,構成了四維的時間。現在我們來假設,由二維的面構成的,不再是空間了,而是時間,即是把一般情況下的空間替換成了時間,時間變成了人類能夠自主選擇的第三個維度,而空間變成了不受控制的一個維度。

於是,Cooper能夠自由穿梭於Murphy房間的任意一個時間點,卻無法再自由穿梭在空間中,他依舊能夠看到一維的線和二維的面,即這個房間的每一個畫面切片,可是卻沒有一條路能夠走出Murphy的房間。這似乎是一個生活在三維空間中的生命體,能夠控制第四維度的最好,也是最合乎情理的呈現方式了。


一隅之見,非專業,如有謬誤請指正。

影片中對高維空間的呈現是值得肯定的,也有其依據。
先來看電影中的高維空間是什麼。
Tars的描述:

Cooper的描述:

影片中提到Cooper身處「他們」建造在五維空間中的三維空間。需要分清的是:這裡的五維空間實際上是一個時空概念,而三維空間是幾何概念。
為了方便區分,下文中提到X維空間均指幾何概念,提到時空就是時空概念。
當我們說我們所在的世界是三維空間,通常是指歐幾里得空間(名字不重要,用來裝逼的,記住它是幾何概念就行了),由長、寬、高三個維度構成。
愛因斯坦說宇宙是四維時空,或者說閔可夫斯基時空(名字不重要,用來裝逼的),由歐幾里得三維空間和一維時間組成,這是時空概念。注意,我沒有說三維空間加一維時間,我們知道三維空間有x、y、z三條兩兩正交(垂直)的軸,四維空間有同時垂直於x、y、z軸的第四條軸(記住,這條軸有一個好聽的名字叫w軸),於是很多人將時間維理解為時間軸,又把時間軸作為w軸加入該坐標系,這是一種誤解。愛因斯坦的原意是空間和時間具有不可分割的關係,時間始終伴隨空間存在,二者更像是一種耦合關係。

解釋一下為什麼說電影里的「五維空間」其實是五維時空(四維空間和一維時間)。
這個高維書房坍塌的時候Cooper說了一句話:「他們正在關閉超正方體。」 別聽前面Tars裝逼說得神乎其神,什麼在五維時空創造三維空間,一會我再解釋。記住Cooper這句話就行了,因為它簡單粗暴地告訴了我們高維書房是一個超正方體。
俗話說,點動成線,線動成面,面動成體。一維線x橫向(沿y軸)疊加形成二維平面,二維平面縱向(沿z軸)疊加形成三維體,同理,三維體沿w軸疊加形成四維體。在幾何學中,超正方體是正方體的四維類比,簡單來說就是正方體沿w軸疊加形成的磨人的小東西。
也就是說,Cooper實際上處在一個四維空間,他仍然可以感受到時間流逝(四維空間和時間維組成五維時空),只是他感受到的時間和他閨女感受到的時間並不是一回事,墨菲感受到的時間已經以實體(時間軸)的方式呈現在他眼前了。從這個角度來說,時間是相對的,可以對不同的觀察者有所不同,愛因斯坦也是這麼想的。

最後扯扯為什麼牛逼哄哄的五維人要大費周章地在五維時空里造三維空間。
且不說低維人從低維進入高維空間生理上是否承受得住(因為我真的不知道受不受得住)、又該如何移動(三維人極有可能無法感知更高維的知覺,類比二維生物進入三維空間,理論上,如果存在二維生物,它們無法感知高度,因此只能在平面上移動),我個人認為設置這個細節很關鍵一個原因是:導演也不知道四維空間的畫面該咋拍。所以,就拍四維空間在三維空間的投影吧。
在三維空間里有三對主要方向:上下(高度,位於z軸)、東西(緯度,位於x軸)、南北(經度,位於y軸),當然你也可以稱南北東西為前後左右,或者稱緯度經度為長度寬度,你覺得怎麼樣好理解就怎麼來。前面說過,這三對方向兩兩垂直,而處於三維空間的我們很難想像第四對方向(位於w軸)是如何同時垂直於x、y、z軸的(想像出來請聯繫我)。不要說四維空間,就連進入四維空間的Cooper會變成什麼樣子都難以想像。
但是我們可以模擬四維體在三維空間的投影。四維超正方體在三維空間的投影呈現在二(diàn)維(nǎo)平(píng)面(mù)上大約長這樣:超正方體圖
(事實上由於人的視線是二維的,我們所看到的三維物體基本都是在二維平面的投影,需要藉助觸覺等形成三維知覺,雖然這句話跟我們今天討論的問題並沒有什麼卵關係。)
這個投影圖是不是有點Cooper在高維書房裡看到各個年齡各個角度的墨菲在自己周遭流動的感覺?
俗話說點動成線,線動成面,面動成體,三維空間沿w軸動成四維空間,雖然我們難以想像三維空間運動的方向,但是可以大概地想像三維空間運動軌跡的呈現。打個比方,手機全景功能的原理是將多張以一定速度移動鏡頭捕捉到的照片拼在一起,相當於一邊移動鏡頭一邊按快門,把鏡頭移動比作時間流逝,每次按快門捕捉到的畫面比作不同時間看到的場景,即隨著時間流逝我們會看到不同的場景,假設持手機的人(Cooper)坐在一輛移動的車上(他感受到的時間流逝),使用全景功能拍攝窗外其他移動的車輛(墨菲感受到的時間流逝),就會得到這樣一張照片:

——所有從身邊飛逝過的車輛都呈現在一個畫面中。


很難在四維空間展示或者解釋五維世界,就好像很難用書面(二維)解釋三維一樣,即使用圖畫形式展示三維,你看到也是一個個平面的方塊,沒有看到過三維的人是很難通過一個個方塊理解三維立體的概念。


很酷!作為一個充滿好奇心的曾經的理科生,這段確實酷,進入高維空間的那段看的我小心臟撲通亂跳!好久沒有過這麼強烈的感覺想把它一下全部看完!

但是單純從視覺上看,還是有很大進步空間的,畢竟是人類用電影手段模擬高維空間的初級階段嘛!就像庫布里克曾經激勵了諾蘭一樣,我相信後面還會有被諾蘭激勵,激發靈感的人帶來更震撼的作品。

除此以外,我有一個最大的疑問,就是庫珀在五維空間里,他還是以三維的形態出現嗎?肯定不是,他本身所帶有的第四維(時間)的屬性也應該存在於此,他的一生,從他出生到死亡,全部都在這個五維空間里,我們看到的庫珀應該是條狀的蟲子一樣的,他一生中的所有時間切片的集合所形成實體,與這個空間里是纏在一起分離不開的,而不是我們看到的三維形象被固定在格子里。他自己此時應該很明確地感知,清楚他在某一時間切片上是如何傳遞信息給女兒的,而不是我們看到的絞盡腦汁的樣子,我們是不能隨著時間的推進看他的心理活動是如何變化的,這一切在他進入五維空間的一瞬間都已經存在於此了,他傳遞給女兒信息啊成為「幽靈」啊這些過程在他進入五維空間的一瞬間就已經完成了才對。影片中在五維空間中仍然是用三維世界的方法,可以理解,只能這樣拍,完全遵照五維空間里的作用方式電影就可以把這段刪掉了

電影特別棒,但疑問歸疑問,歡迎討論!


回答整個問題,要先明白不同維度的情況,這需要較強的想像力。其實可以簡單的把維度理解為方向。若想探討五維空間,我們最好從二維開始說起,在比我們所處維度低一維度的二維中,二維生物(如果真的存在的話)是沒有高度概念的,你可以想像一下一張撲克牌里的Q,把他放在一張鋪平的紙上,這張紙就是二維的,那麼這個Q所看到的都是什麼呢?不論你在紙上畫的是圓還是正方形或三角形,在這個Q眼中,都是一條條的線,而且他無法看到整個形狀。如果你在正方形中,畫了一個小圓,那麼這個Q是無法看到的。但是我們作為三維空間的生物,去看二維的話,很容易就看到了正方形中的圓,而且我們還可以在不破壞正方形的情況下,取出或者擦掉其中的圓,因為我們有高度這個方向,這在二維生物來說,是無法想像的,對於它們,我們就相當於神,我們相當於擁有二維空間生物的透視能力、穿牆能力、隔山打牛等等你懂么?同樣,如果有思維生物存在,那麼它們的視角是怎樣的?它們又能做什麼呢?這還不是特別難想像,類比我們從三維看二維,四維生物看我們三維空間,它們可以看到不透明密閉容器的內部,也能直接將密閉容器中的物體取出而不破壞(或者說碰到)容器,它們比我們多了一個方向,就像我們比二維多了一個高度方向一樣,但多出來的那個方向是我們無法想像的,值得說明的是,那個方向(維度)並不是時間。你想像一下你看一幅畫的情景,這幅畫就相當於一個二維平面,畫中所有物體你都盡收眼底,四維生物看我們三維世界,就像我們看一副畫一樣,所有東西盡收眼底。如果二維平面的畫中,畫了一堵牆,牆後面藏了個人,牆另一邊的人是無法看到的,而我們從三維空間中,則一目了然,思維空間生物看我們的的時候,也是如此,所有事物都無處可藏,它能一眼看到你的內臟、骨骼、血管里血液在流動。。。所以,四維視角對於我們三維生物來說,應該是一種極為開闊的,如果你能以思維視角看一眼我們的三維世界,相信你把視角調回三維的話,即使讓你站在珠峰上看往下看,你都會覺得狹窄!那麼五維空間呢?已經很難想像了,理論上來說,就是比四維還要多一個維度(方向),五維生物的視角應該是更開闊的,但那究竟是怎樣的情景,我想我們這些三維生物也只能通過數學公式來看了,但那並不是生理體驗,所以你還是無法想像和描述五維視角,因為四維空間就已經是我們藉助自己看二維的情況來想像的了,要在想像的情景基礎上再去想像,那基本已經沒什麼實質意義了。所以,電影中的五維可能只算是導演或者說整個製作團隊對於五維空間的一個想像,大膽的展示給了我們而已。

ps:為什麼說四維空間多出的一個維度不是時間,因為我們在討論空間,不是時空,這是兩個概念,時間應該是空間之外的另一種存在。你可以這樣想像:我們三維生物好比一輛向前行駛的列車中的乘客,列車是封閉的,沒人能逃出去。那麼這輛列車就是時間。對於我們來說,列車好比雪國的列車,不能停不能退,一直向前。當然,四維生物應該是能夠看到列車全貌的,因為它們可能不在列車內,但是我們看不到列車的全貌。而且,列車可能不止一輛哦。
另ps:五維生物怎麼看列車什麼的,我就不知道了。


還是挺出色的!電影能這樣形象的表達已經很不容易了。
我們生活在三維空間的人很難想像高維空間是什麼樣子,就像二維平面人沒有辦法想像三維立體一樣。對於二維人來說,他們只能看到三維物體在二維平面的投影,那就是一系列平面的疊加變化,就像大腦的MRI圖像或等高線地圖一樣。所以我們在三維空間也只能看到高維物體的投影。網上有超立方體的圖,號稱是四維空間「立方」體的投影,大家可以google 一下看(這裡我忽略時間的維度)。
雖然無法想像高維空間,但是人類仍然可以很容易地用數學這一強大無比的工具在四五六乃至n維空間里玩。現代物理最玄的弦理論聲稱只要用10維空間就可以將相對論和量子力學統一起來,當然這種涉及到普朗克數量級的試驗證實恐怕相當長(永遠)時間內都無法實現。

不過多維理論依然是最有意思的理論,試想如果你存在於高一個維度的世界是怎樣一種神的存在。俯視低維度眾生云云一目了然。你可以畫一個圈把二維人莫名其妙地困住,可以對他的身體心理了如指掌,可以把他揭離二維世界的家(進入三維)然後扔到二維世界的另一頭,可以捲曲他的時空並且輸送他們永遠不知到從哪裡來的信息。有了高維,很多神跡和所謂超自然現象都可以解釋了。

建議閱讀加來道雄的書


----------11/13/2014 增加以下內容:
記得大學時第一次看加來道雄的《超越時空》時,頓感天崩地裂、醍醐灌頂、眼珠子都掉了,怎麼有這麼牛到極致如啟示錄一般的科學理論,差點要我放棄專業投師理論物理了。高維空間的智慧生命簡直可以解釋一切超自然的現象。不過隨著越來越多深入的了解,個人感覺10維(或11維)空間的弦理論太過於「完美」。整個宇宙真可以被這麼簡單優美的理論統一解釋嗎?是不是那些理論物理學家過於鍾愛愛因斯坦的「簡單優美流」而創造出來的一個數學遊戲呢?我是實驗派,實驗做多了老覺得很多做理論模擬的太扯淡(個人歧視,不要見怪)。他們老觀望著我們做出什麼實驗結果再進行「修正擬和」他們的模型,總之就算你得出完全相反的結果他們都能給你擬和得你好。而需要他們理論計算去指導實驗、預測結果時,總是一堆雞毛。實驗做出來了,他們才恍然大悟,ahha,我們少放了一個參數/常數,你看,這樣一修正就差不多了。。。看來像愛大爺這樣的大牛還是不世出的啊。弦理論在低能下的實驗,LHC正在做,希望真能找到點什麼,否則動輒就10的二三十次方的高能實驗恐怕只能在科幻小說中實現了。


如何評價,感覺很親切~

This story is not end yet…


腦洞大開,為以後的表現手法開闢了新道路。有可能會成為人們表達類似情況的新標準。
低緯度無法感知高緯度,也看不到高緯度。所以男主角所處的仍是三維空間,只不過是五維空間的一部分投影。
就好像我們要拯救一個漫畫中的角色,我們沒法直接溝通,只能在紙上面畫出來他所處的時空的前後因果,讓他自己去領悟。
二維世界裡的點和線即使在三維世界仍是點和線,不會升維,男主角仍然在一個另類的可以影響時間線的三維空間裡面。


感覺不算五維空間,只能說是四維。因為男主看到了無數個卧室在無數的時間段。無數個卧室是三維,連起來的時間段也只能說是四維。如果是五維的話,男主完全可以把她的女兒明白之後的空間移動到男主未離開地球的空間。
但是很明顯,男主沒有這個能力,他只能觀察無數個三維片段並通過引力略加干擾而已。


這個問題可以從不同角度來評價,我試著來做下理論物理專業的角度的看法。

灰常棒!

為什麼呢?

第五維的概念是卡魯扎在1921年(實際做的時間是1919年)提出來的Kaluza-Klein Compactification(卡魯扎克萊因緊化)。為什麼有克萊因的事呢,因為1926年克萊因給出了量子化解釋。

注意這兩個時間,1919年的時候,量子力學還沒有真正誕生(普朗克與愛因斯坦並未給出量子化的矩陣力學與波動力學表述)。1926年的時候,薛定諤方程剛出來。

因此第五維的概念的圖像呈現(背後有數學公式基礎)實際上可以與量子化無關,因此電影可以在宏觀上做出效果。(當然與「實際上的」物理理論是有出入的。但為了視覺效果,還是可以忽略真實吧,思想呈現就好。)

現在就來講講什麼是卡魯扎克萊因緊化。

我們通常的世界是三維的空間加一維時間(你們說不對的可以暫時退下了,不用洛倫茲群來解釋這個都是在耍流氓)。用廣義相對論的語言,我們可以寫成一個間隔表達式(這是名詞,只是知道名詞就好)。

當我們引入一個第五維的參數時,只要其滿足圓(circle)的產生作用(又是一個名詞,記住是圓就好),那麼這個間隔表達式可以包含麥克斯韋方程。

偉大吧,這是物理學的統一思想,引入了一個第五維,也就是將四維時空緊化在一個圓上,我們可以統一廣義相對論與電磁理論。

當時人們認為這個理論挺好,但是不能滿足一些量子世界的觀測,因為因為量子世界不僅有電磁作用,還有強作用與弱作用。。。


嗯,基本上理論說完了。那怎麼呈現一個四維時空緊化在一個圓上呢。

這部影片的視覺效果極大呈現了這種理論。

首先是三維空間在時間拉長效應中的長度拉長。

然後就是緊化在圓上咯!我們想像一個圓(半徑R),實際上可以在數學(拓撲)上等價與一根首尾相接的長度為2pi R的線段。然後直線就是這些線段組成的一個無線長的線,每段長度為2pi R。然後擴展到三維立方體,就是這部影片給出的視覺效果!

這是我能用的最通俗的寫法了。

=亂講分割線=
這部影片裡面的gravitational anomaly的梗竟然沒人吐槽。。。50年前是這個理論(1982),那麼可以推斷故事發生在2032年。但是吧這個有歧義【gravity anomaly】不等於【gravitational anomaly】。。。。。算了,不精確吐槽了。

再有,這部影片讓我想起了陳奕迅的《明年今日》,哭得稀里嘩啦的。。。


片中自己的台詞表明,黑洞沙盒或者矩陣,是在5維空間中創造的三維表達式。影片並無進行高維空間的視覺呈現。所以題主的問題好像不太對……

不過其實這種3維化的五維(感覺應該是四維,沒看到時間的摺疊感)呈現形式已經較為有趣了。有第一次看三體三的時候,大劉用文字描述四維空間時的震撼感。


看了這麼多高贊,覺得還是局限於電影本身和科學理論。
看多硬科迷和黑諾和見不得很多人喜歡一個人的那種人一直在影片中找bug。最常見的說法是,高維度智慧既然要幫助地球和人類,那為什麼不在地球遭到破壞之前就介入?
這個說法看似很有道理,其實也就是胡攪蠻纏。完全沒有邏輯可言,這些人為什麼不直接說高緯度智慧為什麼不直接介入滅掉希特勒?
這個所謂的bug其實很容易平反。
1,星際是一部電影,需要的是戲劇性。
( 這個回答其實足以說明了,但是我想說的還有第二點。)
2,眾所周知,推進人類進步的幾乎所有偉大科學家最終是相信上帝的存在的(這裡的上帝是指廣義的。)。那麼,我相信諾蘭說創造的高維度智慧或許就是上帝本身。諾蘭沒好意思說出來,其實人家是假裝不好意思。


關於高維呈現這個問題,我的回答是:導演運用了最簡單的手法去映射了高維世界,但是沒有呈現它。理由如下:
1, 男主被明確告知自己是在五維人建立的三維世界中;
2, 男主確實可以看到物理化的時間,既時間不再是一條射線,而是一條直線呈現在男主面前;
3, 但是男主卻失去了三維空間中的一個維度:高。
也就是說,五維生物在構建這個三維世界的時候將五維世界可以操縱時間的這個便利賦予了三維空間,但是由於三維世界的上限是三個維度,所以時間是替代了高這個維度而存在的。在電影畫面中我們可以看到書房這個場景充斥了三位空間,而主要表現書房時間流逝的是男主向下望去看到了不同時間段的書房,所以說,在男主所在的三位空間中已經不存在絕對意義上的高度這個概念了(也許僅在」房間「這個空間概念中成立)男主所謂的」向上「或者」向下「是穿越時空而非在空間意義上的動作。
所以說,這個三維世界是對五維世界操縱時間能力的一種映射,而非是展現了五維世界。
據我的理解,作為三維生物的我們永遠也沒法看到五維的世界的,就像畫紙上的蒙娜麗莎永遠不知道自己的鼻子是尖還是扁。所以五維世界不存在呈現這種說法。


上升到高維空間,敢拍就是偉大的。呈現出來的效果也很不錯。相比2001里呈現的更加「親民」和「具體」,畢竟有實際的劇情在。不過2001的穿越和穿越後在房間里迅速走完一生後升華的表現也是不能更贊,會讓人從心理都產生進入高維的陌生感和恐懼感


#星際高維空間#我不懂物理,小弟是這樣了解的。零維點,一維線,二維面,三維空間,人類生活在三維世界,所以人類是三維動物。
三維動物是無法理解四維或高維世界的,比如,假設豬是二維生物(其實豬也是三維生物),人對於宇宙和豬對於宇宙是沒什麼不同的。而對於豬來說,它們無法理解為什麼會給人宰來吃,所以它們樂呵呵在豬圈裡。因為豬比人類少了「一維」——「智慧」,所以它們無法了解比它們多一維的人類需要宰死它們的行為。
所以人類探索宇宙(高維世界)就好比豬探究人類,所以Cooper做得就是穿越太空探索高維世界來拯救地球。
假如四維是時間,那麼,Cooper最後穿越黑洞到達五維空間,最後他發現原來第五維是愛,是他對女兒Murphy跨越時間空間宇宙的愛,最後人類得救。
最後又要引用我國著名藝術家叫獸易小星的話,跟女孩去看星際,不要說那麼蟲洞摩西碼之類的鬼話,此時,你要深情的望著她的眼睛,說:「原來宇宙盡頭的秘密是愛」。


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