為什麼人類無法畫出四維空間?

沈偉鵬


可以畫出來,上面這張就是思維空間圖;但是這樣的圖普通人很難理解,因為我們所看到的世界——是三維空間的二維投影。


所以,要畫出四維空間就要把四維空間降低兩個維度,空間的畸變很大,所以除了經過訓練的物理學家,一般人很難看懂。

要把這個問題說明白,就要說明四維空間是什麼;我先從0維說起,大家一起來想像一下(人的大腦是可以超維度的,所以可以想像出高維空間)

0維—— 一個點,沒有上、沒有下、沒有左、沒有右也沒有前也沒有後,就是一個點。

1維—— 無數個點(0維空間)組成的一條線,有了前和後的概念;但是,任然沒有左右和上下。

2維—— 無數條相同的線(1維空間)組成的一個面;有前後也有左右的概念,但是,上和下任然不存在。

3維—— 我們生存的空間;由無數個面(2維空間)一層一層的疊起來組成的“立方體”空間,有上下、有前後也有左右的概念。

4維—— 超越我們生存的空間;由無數個立方體(3維空間)組成的“超立方”空間。在這個空間裡,上下、左右、前後是無限的。

5維………………


當知道了四維空間是由無數個三維空間組成的,我們就可以想像出四維空間大概是這個樣子的:


TDtank126

人類無法畫出四維空間這種說法有點片面,因為四維空間大部分人肯定是無法理解的,但不排除有人會理解。我們目前認為的四維空間是我們生存的三維空間+時間,我們用肉眼是無法直接觀測四維空間的,那麼,就算能畫出四維空間也是看不到的。有種描繪空間維度的假想,假設一張紙上存在著一種二維的生物,它只能在二維的平面內運動,用一個框將其框住,它將無法逃脫,也不能選擇從上方逃脫,因為它不能想象並描述出真實的三維空間,因為它無法進入三維空間,真實的三維空間是什麼樣它是無法得知的。

對於我們人類來說,三維空間我們可以用二維的繪畫來描述,如果用二維繪畫來描述四維空間,其中差了兩個維度,這就好比畫一條直線(一維空間)來描述三維空間,怎麼做到呢?反正我也想象不出來。人類作為三維空間的生物,增加一個空間維度,其實很難理解,從維度的角度來說,維度就是描述一個點所需的最小座標數,如果我們要描述一個四維空間的物體,那麼問題來了:第4個維度該表示什麼?

我們並不知道它丈量的到底是什麼量,同樣的,任何n維生物在試圖想象n+1維空間時都會遇到相同的問題。但通過投影是可以畫出四維圖形的,比如超立方體:一個頂點連著4條柱。我們的宇宙可能高達11個維度,因此要弄清楚宇宙的全部奧秘,估計人類要自己先有所進化。


川陀太空

就比如說一個天生的瞎子無法理解光明的世界,即使他可以通過觸覺和想象加工出世界上一些東西,但是卻無法感受到陽光照耀和五顏六色。當全世界人天生都是瞎子的時候,也許出現一個提法說世界是由色彩的,這時世界上根本沒有顏色這個概念,那麼表現顏色也就無從下手了。

有很多人是認為四維空間是三維空間+時間,四維空間裡三維空間中的虛時間就會成為一個時間座標軸,而且各種物體可以通過移動穿越虛時間。

還有一部分人認為,三維空間是採用相同的計量單位的,而時間的本質是對物質運動過程的劃分(時是物質的運動過程)。因此第四維空間也應該採取和第三維空間相同的計量單位。這種三維空間+時間的說法其實是四維時空(而四維時空因為本身就是四維的所以可以直接稱之為時空)。

其實四維空間問題特別抽象,現在的討論也全是基於四維空間理論確實正確的基礎之上的,感興趣的朋友還可以參考劉慈欣關於四維空間的描述。等到科學技術極度發展之後,人類對自然規律的認識全面刷新,說不定會對高維度空間有新的更科學的解釋。

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瓏心格物

首先,數學上的“四維空間”跟愛因斯坦所提出的“四維時空”是不同的,很多人對兩者有所混淆。其次,我們無法直接在三維空間裡去直接描繪四維物體,但是可以觀察四維空間的物體在三維空間的投影。舉個栗子

一維、二維和三維空間我們都可以很直觀的感受,並畫出來。

如果再加入一個維度,能找到一條軸線與另外三條垂直嗎?在三維空間中是不可能的。但這並不妨礙我們試圖去理解四維空間。

19世紀,瑞士幾何學家路德維希·施萊夫利,是最早理解多維空間存在並研究其幾何學的人。主要成就之一,是列出四維空間中的所有規則多面體。

可以通過類推的方法幫助我們理解四維物體。在這之前,需要遺忘我們所熟知的世界,想象一個視覺與感覺都不能直接進入的新世界。

下面是一維的直線、二維的三角形和三維的四面體,分別有2個,3個和4個頂點。因此,可以嘗試畫5個頂點的圖形。

5個頂點兩兩相連,可以得到10條稜,10個三角面;每四個頂點中加入一個四面體,共5個四面體。於是我就造出了一個四維物體,叫做“單形”。

想象它在四維空間轉動,我們看到的只是它在三維空間上的投影。它的面變得混亂起來並且互相交錯。

為了用我們三維的眼睛來觀察這些四維物體,我們可以看它們在三維空間的陰影。正如畫家將風景投射到畫布上一樣。

這是一個超立方體的陰影。

這是開頭的24號,它在三維空間裡沒有類似物,純粹的四維物體。

120號的陰影,非常複雜。

冠軍是600號,像一個宏觀分子。

以上圖片素材皆來自紀錄片《維度:數學漫步》,全片從S2球面,講到球極投影,進一步到正多胞體、複數、分形、S3球面等等。四維空間只是其中一部分,說實話第一次看的時候還是比較難懂的,但能夠如此直觀地看到四維物體的投影,這部紀錄片確實給我認識高維空間提供了全新的視角,並帶來了很多心靈上的震撼。


程長君

標題沒有確切給出“”畫“”的前提條件。通常我們理解畫的含義是指在二維平面上做出的圖形,如果按這個定義理解甭說是四維,就是三維在平面上也是畫不出來的,所能畫出的也是形象的偽三維圖形。是否有辦法用二維平面來表達三維呢?答案是有,只不過是近似有限三維,知道3D打印機原理嗎?就是用若干個二維平面圖“”堆疊“”出三維結構的。之所以說是近似三維是因為每個二維平面均有厚度,這個厚度理論上可以無限趨近於零,假如定義每張二維平面座標軸為X軸和Y軸,那麼堆疊起來的高度方向就是第三維的Z軸,當然堆疊平面是有先後順序的並不是胡亂堆疊,也就是說只有確定Z軸的值才能確定一個二維平面圖,反過來說三維空間可以通過降維成二維平面方式來表達,當確定Z軸值後就可確定二維平面圖,同理,當確定X軸值後也能確定一個平面圖,確定Y軸值也是一樣。結論:只要確定三維中任意一軸的值就可以確定二維平面圖,這就是降維表達原理。那麼按著這個思路下去,四維空間同樣可以通過降維方式表達。假設第四維為M軸,按照上面原理只要確定任意一軸的值就可以把四維降成三維,所以我們看到的三維空間只是M軸值為零下的空間。同樣我們也可以讓Z軸為定值來展示出別樣的三維空間,比如Z軸為定值,那麼三維空間是由(x,y,m)點組成的,還可以換個角度比如Y軸定值由(x,z,m)點組成的,以此類推,這樣就能看到第四維M變量變化時降維的三維空間圖,從而把看不見的第四維變成看得見。每個定值便是一個三維空間,把若干個三維空間圖同時擺列出來就可看到四維(x,y,z,m)近似空間圖。當然在三維基礎上還可再降一維變成二維,比如(x,m)點組成的平面,但更加抽象需要幾何增長數量(四個變量二組合)的二維平面信息來表達四維空間信息。


漏風雲客

【丁嬭文6. 四維空間的圖畫?】 怎麼畫不出來,我不會畫,也不敢拍照就是了,我想別人也是的,不敢拍,不敢畫。

為什麼?西方人總是從數學出發來研究物理學: 天體物理學,理論物理學,,,,,。取得不少驚人的成績。但是,不是所有的問題都合適用這樣的方法。這中間就有空間維度的問題,竟然說到了11維度的空間。那麼我說: 提出11維度的概念的人,以及相信11個維度空間的人不知道什麼是空間。

空間是物質的存在。有物質就有空間,有空間就有物質。

在空間確定一個質點的位置,我們最早用笛卡爾座標系,它有三個座標軸。人們認為自己生活在三維空間裡。並定義了一個三維空間的世界。但是,我們漏掉了許多在這個空間中存在的物質。這不是因為笛卡爾座標系不好,而是我們的眼睛看不見那些物質,並且不承認祂們的存在。可是,有人能看見,這樣就出現了鬼神的傳說。其中看見神的人少,見到鬼的人多。鬼的故事很多,比如還有《聊齋志異》,這樣大部的鉅著。

所謂四維空間,是人類眼睛無法確認的空間,其中的物質以粒子體形式存在。它與所謂的三維空間是混合在一起的空間。

按當下的科技水平,擴展人的眼睛的視力範圍是件容易的事情。特殊的眼鏡,攝像機都可以的。但是,我勸你,還是做好自己的工作,霍金勸你別招惹外星人,那麼,你最好也不要招惹不同類的生命形式,祂們比人類本事大得多。而重要的是每個人最後都會去那個世界,早晚會見到“四維空間”的模樣。


歐陽冰兒178650811

主要問題是人類目前還沒有明確的發現四維空間,甚至對四維空間的主觀猜測也紛亂不清。科學界普遍認為四維空間是三維空間與時間組成,或者說是一個連續運行的三維空間,這似乎說得很明白了,可是真正能夠理解的人還是沒有。雖然格局阻擋了我們的眼光,但是阻擋不了我們對遠方的渴望,人類探索四維空間的努力,不會因為困惑而退縮,只會變得越來越頑強!對於四維空間概貌,個人的看法可能有點與眾不同~它應該是由物質與能量及“轉換力(無法描述暫名之)”組成的。在四維空間裡,物質與能量可以不斷轉幻,且處於瞬息萬變狀態中,並沒有一個穩定的形態,所以,四維空間是無法用筆描繪出來的。


知石分子1

,早晚的關張。

沒有四維空間。要說高維空間的話,也只有六維,就是在三維空間的基礎上各加一個時間維。因為空間和時間同為速度的導出物而非相反,當然了,速度是能量的表現形式。世界是能量的,能量產生空間,空間時三維的,但每一個維度都不是嚴格意義上的”維”,而是”帶”,也就是說宇宙是”三帶”的。帶是有寬度的,這寬度就是時間。只不過那三個寬度都是一樣的,就是說三個空間方向上的時間寬度都是一樣的,因此,人們便講這個寬度省略了。如果非要講什麼”四維空間”的話,其實是我們對那個”三帶空間”(或者叫”六維空間”)的稱呼,而此時的”四維空間”應該反映為”三帶空間”的其中一個帶或者三個帶的寬度發生變化了的空間(這與空間運動的方向有關),但它仍然是“三帶”的。就是說,所謂“三維空間”是因為靜止造成的時間寬度相同的“三帶空間”;“四維空間”是由於運動造成的時間寬度不同的“三帶空間”。應該說,“三帶空間”也不好畫,但好理解。如果是靜止的“三帶空間”也就罷了,由於寬度一樣,三個方向都用一維的“線”表示就是了,就像現在這個樣子。但如果空間是運動的,由於“線”反應不了不同寬度的帶,不管是六維還是四維都不好畫。不過有一個解決的辦法,那就是,在維上標註寬度,這多少能夠解決反映帶寬的問題。


老堪69294438688

任何沒有確切證據的東西都是假設 一維是無 什麼都沒有才是一維 那麼什麼都沒有何來一維呢 二維是無之間構成的“線”和“面”這個線和麵是沒有厚度只有長款的 這種東西存在嗎 如果說沒有任何物質的真空裡面可以存在這兩個概念 對 這只是人為了計算研究而設定的概念 至於現實中有沒有這樣的實體其實並不重要 或者說就算沒有 我們的計算研究離不開這些定義出來的概念 算長度面積體積 我們只能做到無限接近正確答案 在純粹的數字計算中我們是可以做到百分百正確的答案的 但運用到現實問題中 只能說很接近完美答案 很難避免誤差 因為一維我們做不到可以用那個沒有直徑的點 二維也就不用說了 三維的計算基於二維 至於四維 如果說三維加一條時間軸就是四維 如果我們能在時間軸上面自由進退算五維?再加上在同一個時間點可以出現在三維世界中任意地點算六維?其實時間是我們定義出來方便生活的 時間的本質是什麼呢? 或者說是一個過程 一個事物運行的先後順序 時間有實體嗎 可以影響維度劃分嗎 ?目前我們的世界所能作用的到的 就是三維 直到其他維度被發現證實的時候 而這之前 努力尋找答案吧 猜猜也不錯


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