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什麽是四維空間

首先,我們需要了解什麽是四維空間。四維空間就是指包括時間A和由長X寬Y高Z組成的包括三維空間在內的空間。

假如我們走在壹條狹長的隧道裏,我們能走出隧道的方向只有兩個——前與後;而當我們在走空曠的田野裏走時,我們就會有四個方向——前、後、左、右;而當我們的宇航員在太空中表演太空漫步的時候,他的方向將有六個,前、後、左、右、上、下。那麽在什麽地方我們能找到第七個方向和第八個方向,即第四對方向呢。當然,那只有在四維空間裏才能找到。

然而,我們所生活的空間中就存在著這對方向,它們就是時間的前與後。想壹想過去所發生過的和未來將要發生的,我們就會發現實際這壹切存在著連貫性。

有壹個現象是我長久以來所感興趣的。就是為什麽正方型有四條邊,而立方體卻有十二條棱,後來經過數學的學習明白了這是空間維度的差異。正方形可以存在於二維空間,而立方體不可以,它最少也得呆在三維空間裏。那麽會不會有什麽東西不能呆在三維空間裏卻只能在四維及四維以上的空間裏呢?

中國話裏的正方裏有個正字,仔細想來也就是,正方形和正方體都是方方正正的。他們在空間裏是否能代表著什麽呢?

經過多年的研究我認為,所有的正方都是壹種空間維度的原身,從幾何的角度就能說明這壹點。比如它們的角相互垂直,他們的對邊相互平行並且他們表示某維空間的最極端的幾個方向。

既然是這樣,那麽它們之間壹定是否會存在著聯系呢?為什麽壹維是條直線兩個端點,二維有四條邊和四個頂點,三維有十二條邊和八個頂點呢?這些數目難道就是孤立的、沒有聯系的嗎?難道上帝就安排了這些數字作為空間的特征嗎?

壹些直覺告訴我,它們壹定是有聯系的,我壹定得搞清楚。

再細細地去想,最簡單的、能和空間的維數能直接對上號的就是在N維幾何坐標系中的坐標軸的數目。因此,我便以此為突破口進行了更深層次的探密。

我在三維空間坐標系中加了壹條與其他三條坐標軸方向都不同的新坐標軸——A軸。並設想A軸在這個坐標系中與其他的三條坐標軸都呈相互垂直的關系。基此構成了新的四維坐標系,這看起來似乎有些荒誕。

讓我們這樣想象壹下,假如我們現有所能感覺到的空間只有兩維。換壹句話說,就是假如我們現在只是生活在只有四個方向的二維空間裏,假設我們感覺不到上和下。那麽,當有人提出有那麽第三對方向,是不是也會讓人有所吃驚呢?我們只有四個方向,而且所有的方向都是相互垂直的,那我們從哪去找那第三對方向呢?就像壹只普通的小螞蟻在平地上爬,它不曾飛過也不曾想過要飛,那麽飛是否對於這只可憐的螞蟻來說很荒誕的呢?

後來我在A軸上取了個點並假設這個點到原點的距離等於立方體的邊長(1mi)。這就是後來四維方體的第壹條邊。然後又對三維方體的每個頂點都做出同樣方向的壹些平行線。經過很多次的失敗,最終還是確立了幾個四維超方體幾何模型的待選圖形。在這些待選圖形中,壹個真正的四維方體模型就這樣新鮮出爐了。

這是壹個由四組每組數目都是八的平行線段組成,和前面幾維壹樣,這也是壹個空間上呈中心對稱的圖形。更驚奇的發現是在三維方體中每個方向所指向的六個平面的中心變為在四維空間中指向八個立方體。這也和二維空間中四個方向分別指向四條邊壹樣。這讓我更加意識到相鄰的維度間存在著壹種不可分割的聯系,這就是後來演變而成的“分裂理論”。

2.1 壹、二、三維空間存在“分裂-聚合關系”

經過對此模型的研究,我認為,空間相鄰維度的變換是由於空間的縱向分裂形成的。在空間形成的初期,宇宙是壹個點,我們可以稱之為零維空間;然後此點分裂成兩個點,在這兩點之間的空間被叫做直線形空間,也就是壹維空間;這兩個點後來又分別向第三方向(+Y)分裂,在這四個點之間的空間就呈現為壹個平面,就是二維空間;二維空間的四個點分別繼續向第五方向(+Z)分裂,就出現了八個極點,在這八個極點之間的空間就被稱做三維空間(立方體)。以此繼續推論,即高維空間是由於低維空間的極點分別分裂而形成的。那麽,四維空間就壹定是三維空間的八個極點分別分裂而成的;即擁有2×8個極點和2×12+8條邊線。

觀察這個四維的模型會發現,在任意壹組平行線段的兩端都連接著兩個形狀壹模壹樣的三維立方體,就像在立方體的每組平行線段的兩端都有壹對形狀壹樣的正方型壹樣,也就是說,每組平行線段都是等價的和可以互換的。

2.2 四維方體的基本性質及N維方體頂點、邊棱計算公式

再觀察,又發現,在這個模型中,每個極點均連接著四條方向不同的線段,沒有壹個方向是重合的。也沒有壹個極點所連接的四個方向和其他某極點上四個方向都壹致。這說明每個極點都有自己的獨立性,是不可或缺的。學過二進制的人都知道壹組四個權位的二進制數字只有十六個。也就是說,十六個極點對於四維空間來說已經飽和了,也不可能會多或少壹兩個。反過來推理,三維空間有8個極點,是不是也是不可多也不可少呢?我們有權利和義務對已知或已經確認的觀點進行懷疑。有三個權位的二進制數總***只有八個,如果這是可以懷疑的,那我們就應該去懷疑數學,因為二進制可以說是數學的根本,而數學又是宇宙的根本,那麽宇宙也就將失去意義。所以我認為這是真真切切的事實。同理,二維空間有四個極點,也足以說明這個事實。壹維空間有兩個極點。這樣,我們就會發現空間的極點數目就是二進制相應權位的數字的數目。即F=2N, 其中N是相應空間的維數, F是相應空間極點(卦限)的數目。我們可以算出相應空間極點的數目,也可以用分裂的方法算出相應空間邊線的數目。當上壹維空間通過分裂變化成下壹維空間時,首先是上壹維空間的邊線數目翻倍,再加上新誕生的壹組平行線的數目(和前壹維空間的極點數目相同),也就是:G=B×2+2N-1,其中N為相應空間的維數,G為相應空間的邊線數目,B為相應空間的前壹維(N-1維)空間的邊線的數目。進壹步觀察發現,在N維空間中,***有N組每組數目均為2N-1的平行線段。所以G又=2N-1N,即G= B×2+2N-1=2N-1N。利用這種方法還能夠算出某維的側面數目及邊體及N維體(N>3,N<該空間的維數)的數目。即我們可以用壹些公式推算出某壹空間的極點、邊線、側面、邊體……的數目。

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