人类如何感受到四维空间?

人类如何感受到四维空间?

理解四维空间和把大象放进冰箱一样简单。

第一步,理解四维超立方体(正八胞体)。

第二步,理解四维球和三维庞加莱猜想。

第三步,理解正八胞体的旋转,类比球面旋转。

边长为 的正八胞体,表体积是 ,为了围出一个体积为 的封闭区域,4个方向上都要放置两个没有厚度的立方体作为边界。为了区分边界和内部,取边长为 3,它由81个小八胞体构成,每个体积为1,然后用8种不同颜色对其上色。下面借助 Python 脚本,辅以理解。

类比三维魔方,每个超立方体的颜色都是唯一的。

也可以通过统计颜料的用量,验证表体积

共有16个顶点,32条棱,24个面,8个体

正八胞体的表面可以在三维空间中平坦地展开,可用无向图表示它们的连接关系。下图是一种可能的展开方式,节点表示立方体,实线表示展开后仍然相连,虚线表示是相对的两个边界。类比三维骰子为每个节点编号,同方向相对的两端编号和为 9。

用近大远小的透视法把第四个维度投影到三维空间里,四维空间有四个方向,因此每个顶点会伸展出4个相互垂直的棱边。

为了便于理解,先举个三维球的例子,它的二维球面的局部是一个二维流形,有两个相互正交的方向(经纬线),法线指向球心。单连通的有限封闭二维流形同胚于二维球面,用立方体的表面类比,表面可以分割成6个区域。每个区域内部是完全平坦的,而在穿越区域时,前进方向发生了 的旋转。球面的曲率是均匀的,延展开来的球面需要保持弯曲,才能让各自的法线相交于一点,因此球面上任何微小运动,都在绕球心做旋转。

四维球表面是一个三维空间,同样各法线相交于球心。根据三维庞加莱猜想,如果三维空间体积有限没有边界,并且是单连通的,那么就同胚于三维球面 。如果我们的宇宙是个理想的三维球面,那么空间中的任意一条直线都是球面上的圆弧,行走一周会回到原处,就好像在正八胞体的表面中转了一圈。

四维空间有两个相互垂直的平面,无论平面 A 做了什么运动,到平面 B 的距离都不变,因此四维可以绕平面旋转,这种旋转叫做单旋转。下图是一个正八胞体单旋转的动画,透视投影在三维空间,第四个维度近大远小,3号和6号立方体绕竖直轴旋转,2号和7号立方体绕水平轴旋轴,两旋转轴垂直,张成了一个平面。每转 ,正八胞体的位姿就和初始状态重合一次,(1,4,8,5)号立方体旋转后构成置换群。

让另一个平面内的点也旋转起来后,就构成了四维双旋转

另一个回答从代数角度解释了四维旋转:

在四维或更高维的空间中,该如何定义转动?

最后,玩一把四维三阶魔方,加强对四维空间以及各种旋转的理解。【四维魔方】四维3阶超立方体魔方的简单复原教程