对于我们这样生活在三维空间的三维物种来说,很难想象四维空间的样子。为了让你的三维大脑对四维空间产生一些模糊的感觉,一个好方法是让生活在二维空间的扁人来到三维空间,体验不同维度的感觉。我们不妨从这个角度开始分析。
a老师是一个生活在二维空间的扁人。我们邀请他回答这个问题,以分析三维人进入四维空间后的经历,所以我们假设A老师和我们有相似的能力。例如,他的眼睛只能看到二维空间的线条,但他可以通过阴影、透视、双目视差等感受二维物体的形状。这一切都是由他的二维大脑完成的。
当a老师观察这个正方形时,他双眼中的形象是不同的。
他的大脑可以结合两个不同的图像,试图理解这个二维图形的形状。这个过程相当于三维人脑通过视网膜的二维投影理解三维世界。
现在,我们把A老师从二维空间中拿出来,放到三维空间中,赋予了他在三维中自由移动的能力。
a老师来到了三维世界,但他仍然是二维扁平的人。他的所有生理结构,包括眼睛和大脑,都是为了适应二维世界而设计的。所以他的眼睛仍然只能看到点和线。他的大脑只能识别二维图形。a老师可以认为他仍然在虚拟的二维空间(下图中的浅绿色平面)中,但这个二维空间可以跟着他在三维空间中移动。
现在A老师正对着箱子。他看到的实际上是这个盒子和虚拟二维平面相交的部分,即矩形(上图中的黄色形状)。
a老师移动三维(Z轴)时,会发现那个矩形也跟着他移动,大小和形状不变。如果a老师在三维空间中旋转(以Y轴为中心),就会发现前面矩形的大小不断变化。这种情况无疑会使A老师和读者感到非常无趣。所以我们给了他更复杂的场景。
这次,A老师来到立方体前面,让他的虚拟二维平面和立方体的对角线EC(下图中的绿色虚线)垂直。
和A老师沿着对角线EC移动。移动过程中,虚拟2d平面与立方体的顶点相交。此时,平面切割立方体形成的形状非常重要,它决定了A老师在整个移动过程中会看到的形状。
1。首先,平面和e点相交。a老师会看到他的平面上出现圆点。然后这个点延伸成三角形,逐渐变大。
2.平面与顶点a、h和f相交时,a老师看到的形状是三角形AHF。
3.当平面与顶点b、d、g相交时,a老师看到了倒置的三角形BDG。
最后,平面与顶点c相交。a老师看到的图形又变成了一分。
5.所以这四个瞬间,a老师看到的分别是以下四个图形。
t="100"/>而在这4个瞬间之间,图形会平滑变形,比如,从点变成三角形,从正放的三角形变成倒立的三角形。在两个三角形之间,过渡图形是逐渐变化的六边形。在上图中,我们只是列出了平面与立方体顶点相交时产生的图形。
闲话休提,书归正传,我们还是来看看你进入四维空间后,会看到什么情景吧。和A先生一样,虽然你进入了四维空间,但是你仍然是一个三维的人,无法看见四维物体。你也存在于一个虚拟的三维平面内,只能看见四维物体与这个平面相交形成的三维图形。
注:这里的“平面”是指比空间维度少一维的形状。在三维空间中,平面是二维的。在四维空间中,平面是三维的。我们不妨牵强附会地把它叫做三维平面吧。
要从上面的分析推导出四维空间的情形,我们需要一个简单的工具:帕斯卡三角(帕斯卡三角形(三角形矩阵)_百度百科)。想必大多数人对这个名字都不会陌生。
帕斯卡三角中隐藏了一个秘密:多维立方体被低维平面沿着对角线方向切割时,会产生什么图形?比如,我们上面对三维立方体进行了分析,得到了4个图形,它们的顶点数分别是1、3、3、1。这4个数字就藏在帕斯卡三角的第三行。
要想知道四维的超立方体被三维平面切割会产生什么图形,我们只需要看看帕斯卡三角的第四行。它包括5个数字:1、4、6、4、1。所以,在这个过程中,你会看到下面这些图形。
1. 首先,你会看到一个点。
2. 这个点在三个维度上膨胀,变成一个4个顶点的三维图形:正四面体(tetrahedron)。
3. 然后,正四面体会逐渐变成一个6个顶点的三维图形:正八面体(octahedron)。
4. 下一步,正八面体会重新变形成为4个顶点的正四面体。
5. 最后,正四面体收缩成一个点,并最终消失。
也许你想挑战一下自己的空间想象能力,那么不妨看看帕斯卡三角的第五行,想象一下五维的超立方体被四维平面切割会是什么情景。
也许你会发现,一个超立方体穿越你的三维空间实际上是一样的。那么,我们还有什么必要亲自去四维空间走一趟。待在家里等着一个四维物体从我身边经过就行了。
其实,这两种情况还是有区别的。
比如,A先生只能直接看到他的虚拟二维平面中的图形。然而,来自第三维度的光线也会从不同的方向进入这个平面,甚至直接落在他的视网膜上。对于身在四维空间中的你也同样如此。这些光绕过了晶状体,无法成像,所以你会看到一些难以名状光怪陆离的光影。
另外,如果你真的得到了一张体验四维空间的入场券,在启程之前请一定要三思,因为这实际上是一张通向地狱的门票。我们还是请扁片人A先生来做一个演示吧。
当A先生在他的二维家乡的时候,他所有的内脏都稳稳当当的安放在体内,没有任何危险。当他来到三维空间时,他的内部结构在第三维上完全暴露在外了。如果你进入四维空间,相同的事情也会发生在你身上。没有什么东西能够阻止你的内脏在第四维方向上掉出体外。由于内脏大多数是相互连接的,所以它们大概不会稀里哗啦滚落一地。不过它们晃晃悠悠地挂在体外的时候,应该无法执行它们正常的功能了。不要去细想这是一幅什么样的场景。我看过的恐怖片也没有一部能达到这个血腥程度。如果一个四维的智慧生物看到这一幕,估计够他做几天噩梦。
这还不算完。你体内的液体也会迅速从第四维方向流出来。而剩余的少量液体也会由于充分接触空气而很快蒸发掉。所以,你应该没有时间去欣赏四维空间的奇妙景象了。如果古埃及人发现了四维空间的秘密,估计会把它当成快速制作木乃伊的捷径。不过我们这样的三维凡夫俗子还是老老实实地坐在家里,期待有一天一个超立方体从眼前经过吧。