二維空間的封閉是圓,三維是球,那四維是什麼?

谷原明


誰說二維空間的封閉是個圓?千數個回答就沒有指出題目的錯誤。零維是點,一維是線,或直線,或曲線,封閉起來是個環,這其中就包括圓,注意一維空間封閉才是圓。而二維空間就是個面,或者平面、或者曲面。封閉起來是個封閉曲面,這其中就包括球面。注意現在說的是球面,不是球,這個球面仍然是二維的。三維空間就是立體的,包括球體,它們沒法再封閉,封閉起來還是三維立體。非要封閉,只能從大小兩方面去考慮。往小了說,三維的能量利用某種機制封閉成有質量的物質;往大了說,整個三維空封閉成了整個靜態宇宙,這是宇宙的形狀。



至於四維空間能封閉成什麼,連三維空間都無法封閉,更何況四維?說實話,所謂四維空間是不存在的,愛因斯坦和閔可夫斯基把時間看成是一維特殊的空間,認為宇宙是四維時空。看清了,是“四維時空”,而非“四維空間”,所謂四維或高維空間是人們對宇宙高維的一種抽象預期,實際上根本是不存在的。有人說四維空間封閉是超球體,這個超球體只在數學上存在,現實宇宙中是不會存在的。有人說克萊因瓶就是四維空間拓撲,


還有人說我們宇宙的所有三維物體就是四維空間的物體的投影,全是扯淡。實際上不但不存在四維等高維空間,也不存在所謂零維、一維和二維空間,因為點、線和麵都是抽象的,否則再細的線也是立體的、有大小的。再薄的面也是立體的、有厚度的。世上根本不存在沒有任何厚度的面和沒有粗細的線,這隻存在於數學上。

總之這個宇宙這個物質世界只是三維的空間、四維的時空,不會有其它的維,也不會封閉,即使封閉起來也是個三維立體。


物原愛牛毛1


答:四維空間對應超體,其中球對應超球體,立方體對應超立方體。


人類大腦能模擬三維空間中的複雜模型,但是要模擬四維空間就非常難,主要原因還是四維空間包含的信息太多,人類大腦難以處理,而且低維空間中難以展現高維空間的所有信息。

對於四維空間,我們能做的理解方式就是類比,用低維類比高維,從而推斷出高維空間具有的性質,為了表現四維空間中的規律,我們需要對其進行降維處理,我們一步一步來。

數學是非常好的工具,可以幫助我們處理一切維度,數學中降維方式之一就是“投影”,本質上投影就是一種函數變換,把高維物體的某些信息放到低維中展現。


一維投影

零維是點,點在N維空間中,就有N個變量來描述點的位置;一維是線,在數學中線是一組連續點座標的集合,如果把一維的線投影到零維空間,就是一個點。


二維投影

二維是面,在數學中,二維是無窮根線組成的面,面在一維中的投影是線。


三維投影

三維是體,比如三維中的立方體,立方體在二維平面中的投影就比較複雜了,不同角度下的投影,會得到不同的形狀,可以是矩形或者其他多邊形。

如上圖,無論在哪個角度,二維平面中的投影都只能是平面圖形,每次投影得到的圖形,只包含立方體的一部分信息;隨著各個角度的變換,三維立方體的信息才會全部展現出來。


四維投影

立方體對應超立方體,球體對應超球體,但是我們無法想象四維空間中的事物;不過我們類比以上投影,可以推測出,超立方體在三維空間中的投影具有以下性質:

(1)在三維空間中,超立方體的投影表現為三維立體圖形;

(2)隨著投影角度的變化,三維中的投影會出現不同的形態;

(3)最簡單的三維投影圖是立方體;

要根據以上性質去想象超立方體是很難的,上圖展示的,就是超立方體在不同投影角度下的三維形態。超立方體包含的信息量,遠遠高於三維中的立方體。


高維投影

人類無法想象高維事物,但是數學可以幫助我們理解高維事物的性質,比如著名的卡拉比-丘成桐空間,就是一個六維空間,這個六維空間在三維中的投影,可以用計算機模擬出來,如下圖。


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艾伯史密斯


圓變成球,球變成超球體唄^_^。

是的,超球體,當您不知道該命名新物體時,那您就找一個近似的物體,給它加“超”這類前綴就行了。比如,假設存在二維的智能生物,它們也可以把我們的球,稱為“超圓”,如果它們有圓這樣的概念。


當然,在數學中其實有個更統一的名稱,N維球體(N-sphere),用來命名從零維到無窮維度的球體。題主看來想表達的正是N-sphere,只不過表達得不嚴謹,因為可以將空間封閉的幾何形狀有無窮多種呢。四維的球體的三維投影,還真有個名字,叫glome,我也不知道該怎麼翻譯它。


N-sphere(N維球體)

在一維時,是個點

在二維時,是個圓

在三維時,是個球

在四維時,是個超球體,它的三維投影被稱為glome。


人類無法直觀想象四維空間中的幾何體,但我們可以將四維幾何體,投影到三維空間中來。其投影規律和三維投影到二維其實一致,當然需要做立體化的處理。N維空間,在數學上並不神秘,真正讓人頭痛的是,我們無法直觀的想象它,如此而已。不妨來看一些知名的四維幾何體的三維投影吧。


四維幾何體的投影。

  1. 四維球的投影,glome。

這張圖顯示的是四維超球面,紅色顯示它的平行線、藍色顯示它的子午線,綠色顯示它的超子午線。假如真有一個四維超球體,那麼它投在我們空間中的影子將是一個立體的影子,那麼這個影子的骨架就應該是這個模樣,如果將其三維表面用網格覆蓋,那麼其投影看起來就像下圖的模樣。

數學家們甚至給出了四維球的超體積計算公式為:


所以,您看四維空間並不神秘,只是難以直觀想象,但我們依然可以通過數學方法去把握它,計算它的一系列的性質,並知道它遵循的基本規律呢。





2、四維超立方體(hyercube)的三維投影

四維的超立方體的三維投影,看起來比較簡單,就是兩個立方體的嵌套。

但當這個四維立方體在四維空間中轉動起來的時候,它的三維投影將發生一些詭異的變化,絕非簡單的大小兩個立方體的嵌套,注意上面的動圖。中間的小立方體是活動的。

四維超立方體的二維投影。

從一條線段,到四維超立方體(的三維投影)。



三思逍遙


二維是圓,三維是球,那麼四維就是超級球了。可惜這個思路在愛因斯坦之前可以行得通,愛因斯坦之後相對論告訴我們四維是時空。第四個維度是時間,並不是像我們認為的那樣第四個維度還是像尺寸一樣的東西。

時間並不是單獨存在,也不是一成不變的,它和時空僅僅聯繫在一起,所以它也是一個維度。只不過時間維度是非可視化的,而且理解起來還有點難。我們的時空就是四維時空,但是在我們的時空內,我們只能夠看到物體的三個維度,第四個維度時間是虛化的。就像電影《星際穿越》裡面展示的那樣,在黑洞的超時空裡面,時間維度變成了像空間維度一樣的可視化,庫伯通過操縱引力可以改變時間維度。

當然了,如果不算時間維,那麼純粹有尺度組成的四個維度物體會是怎麼樣呢?

答案和樓上的幾位一樣,那就是超體。如果是四維球,那就是超球體。這個概念可能大家很難理解,但其實我們只需要知道第四個維度是隱藏在三維球體的某個方向內,而且對於四維來說,三維球體就像是一個膜一樣,其完全對於四維是敞開的。在四維中,我們可以不用破壞球的表面而直接往球內部放東西。這個模型和克萊因瓶很像:

克萊因瓶就是一個看不見的四維貫通了瓶子的內部,導致了瓶口和底部通過四維相連,所以這個瓶子裡面的水可以往復循環。

總之,四維空間需要很強的想象力才可以有所感覺,而受制於我們大腦的限制,想要完全想象出來基本不可能。


科學探秘頻道


超球,四維體積可用S4計算

表面體積為2*π^2*r^

建立四維座標系(x,y,z,w)四維單位超球方程

x^2+y^2+z^2+w^2≤1

等號處為超球表面方程

以上為定量分析,定性分析需要通過降維類比的方式,首先考慮二維到三維空間的轉換特性,三維空間可看做二維平面在z軸的疊加,球體為半徑隨z變化的一系列圓層疊加所得,任何方向的二維投影均為直徑大小的圓;接下來在w軸方向上將無數三維空間疊加得到四維空間,再將半徑隨w變化的一系列大小的三維球在四維空間按座標疊放在一起,就得到一個四維超球,在四維空間遠處觀察會發現其各個方向上的投影均是最大半徑的三維球,注意在四維空間是可以直接看到整個三維球體的不光是表面而是包括內部的整個球。


小耶米大挑戰


大家都知道0維度是一個質點。一維是線,二維是面,三維是體。

按照 推理類比的方式:從一維到二維是一維的無限疊加,從二維到三維是二維的無限疊加。 現在回到封閉狀態,從圓到球,也是無限疊加的結果。


那麼現在就可以想象從三維封閉的球到四維封閉應該也是無限疊加的! 理論也是如此,第四維是時間軸,這就證明了三維球體在第四維的時間軸上是無限多個的! 那麼第四維封閉狀態存在著 三維宇宙的過去和未來。

我們宇宙的每一個“時刻”都是一個球,這個無數“時刻”連起來構成了宇宙的過去和未來!

但是第四維在相對論中是時間,不過第四維只屬於數學上的計算,並不代表空間就是第四維。

現在的超弦理論已經上升到11維度了。不過還只是數學上的計算,並非對應真實的世界。


要知道,目前為止,客觀存在的世界是三維的。四維以上全是數學上的量化。

我參加過一次諾獎科學家的大會,有一個科學家說的很好:高維度一定要結合數學理解。所有通俗化的理解都是不客觀不真實的。

高維度沒有辦法通俗理解,如果我們能理解高維度,那麼高維度也就不是抽象概念了。


科學認識論


時間不完全是四維,但我們可以借用時間來表示四維的一個緯度,即使有了五維,那麼我們同樣可以借用時間來表示六維,十維的世界,我們也可以用時間表示十一維。

我們構想一下,零維為點,時間為靜止,它就是那個點,一旦有了時間,點動起來,就有了線就是一維,即便一條彎彎曲曲的線。

即便點不動,我在看點,我動了,相對我來說點位移了,我可以用手指出它的軌跡,這是一維。

線通過時間動了,出現了一個面,即使是個凹凸不平的曲面,它也是個面,這個面裡有無數條這樣的線,這是二維。

同理,那個曲面動起來,我們在宏觀的時間軸上,抽出一段時間,我們發現那個面立體了。因為這個三維空間是由剛才的二維空間在某個時間段中出現了無數次,才得到的一個立體

那麼四維也是三維在時間運動下一個立體出現了無數次形成的超立體(我找不到什麼名詞,就這麼叫吧)

其實我們瞭解了這個概念就大可不用時間,即便靜止情況,一條線中有無數點,一個面中有無數線,一個體中又有無數面,我們可以用數學或單位來表示。

我們都學過數學,比如一個點運動直到出現長為2的一維線段,或就有無數點直到2的線段,在一個空間裡同樣出現無數次,使一端筆直運動直到也出現2那麼長,2²=4這是二維平面中一個正方形的空間佔位,這個面同樣可以用那個點換一個方向整體重複無數次直到又出現2那麼長,我們假設為豎直運動,2³為8就有立方體,2∧4就是16就是四維的空間佔位,2∧100就是一百維,當然我們目前的三維空間是沒有這樣一條同時垂直所有線段的線。不過我們可以假設,這個立方朝任意方向運動,不過好像出現的還是三維物體,因為我們只在三維裡運動!平面順著平面運動其實照樣是個面,但這個東西厲害了,其中有無數多個剛才的立方,這個質量隨隨便便超過整個宇宙,因為宇宙的質量在三維裡是有限的,在那個超立方中出現了無數個剛才的立方,所以我們可以直接得出一個結論————質量是隻存在三維裡的概念

四維的世界有更高級的單位來表示東西的單位,我們三維的凡人是永遠體會不到四維世界的宏大,且又可以說我們就是生存在四維空間的人,因為我們有時間!又或者我們以後掌握了四維技術我們就可以穿越時空。但這取決於我們用的是哪條軸來表示高出的那一維



殘19822505


在愛因斯坦的時空觀裡,時間流逝第四個維度,並且時間這個維度可以延伸至多達7個維度,加上我們熟悉的三維是世界,總共會有10個維度!

說到這裡,肯定會有人質疑:你連時間和空間都不分?四維空間和四維時空都不分?

但為何時間不能是空間的一種表現形式呢?並沒有哪條理論規定了時間不能是空間的一種!而且恰恰相反,愛因斯坦的廣義相對論明確表示時間和空間是不可分割的整體,簡稱“時空”,任何把它們分開區別對待的沒有意義!

如果是這樣,我們每天拋開時間去討論所謂的“三維世界”有意義嗎?

很多時候,定式思維害了我們,長寬高就是我們眼裡的三維表達形式,於是很多人習慣性思考第四維度也應該是像長寬高一樣的“具有方向”的維度!但無論如何我們就是找不到這樣的“第四維度”。

這就像我們經常說的那樣“沒有困難製造困難也要上”。很多時候,答案很簡單。甚至就在我們眼前,但我們就是看不見,認為答案怎麼可能如此簡單?

空間離開時間沒有意義,時間離開空間也沒有意義,某種意義上這不代表著時間就是一個維度嗎?就在我們眼前的第四維度,為何我們視而不見而就是要苦苦尋找那些所謂的“第四維度”呢?


宇宙探索


問題好像有點問題。二維空間封閉並不是圓,而是球面——球體的二維表面,不封閉才是圓。

所以應該是二維是圓,三維是球,四維。。。有個名詞叫超球體,指的就是四維空間的球體。

而如果你說的不是問題,而是封閉的空間本身,那麼封閉的二維空間是球面,封閉的三維空間是超球面,封閉的四維空間。。。是五維超球面。🙄

五維物體我不知道有沒有現成的交費,總不會叫超超體吧,這樣太DB了,所以直接維數加超體好了😏,這樣比較高端大氣上檔次。

名字是有了,但它是怎麼樣的呢?



這是一個三維立方體升維成四維下的超立方體後的三維形狀。。很繞,就是一個四維超立方體你在三維空間裡看到的樣子。不是很看得明白的話,我們讓它轉一下看看。

這就是四維超立方體在三維空間裡轉動時的樣子。。。它一共有六個體。。。但三維下我們只能看到一個體,而這個三維下看到的一個體卻不一定是立方體。。。。如果覺得不理解,你想想二維空間上轉動的立方體就好了,它在二維空間轉動時的二維切面就不一定是正方形。。。至於超球體。。。。我也想不出跟三維球體有什麼區別,你想出來的話說來看看😂😂😂。


星宇飄零2099


四維空間裡的形狀叫做超體,比如三維的立方體就變成了超立方體,球體就成了超球體,雖然名稱只是多了一個字,但是升級後的圖形我們卻是很難直觀想象出來的。

在中學我們就學過立體空間,並且知道了零維是點,一維是線,二維是面,三維是體。而且還發現通過“投影”的手段,可以將高維圖形在低維空間裡表現出現,比如平面投影到一維空間,就成了線;立方體投影到二維空面,就成了面(如下圖)

我們甚至可以想象,如果一個二維生命體在二維空間觀察到如下圖所示的那忽大忽小的圓,他們能想到那其實是球體在穿過二維空間嗎?

以此類推,如果超球體穿越三維空間,我們會看到什麼呢?(如下圖)

一個忽大忽小的球體

而如果將超立方體投影到三維空間,比如下圖

這就是超立方體在三維空間的投影,隨著超立方體的轉動,三維投影也跟著變化,那麼你能想象出超立方體是什麼模樣嗎?

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