四维电影又称作什么 (电影四维啥意思)

一般人说到“四维空间”时,经常会误指爱因斯坦在他的广义相对论和狭义相对论中提及的四维时空(三维空间加上时间维度)概念。这种普遍性的误解,是由于相对论的相关科普流行有关。所以在理解这两个概念时,一定要格外小心。

此外,如何通俗解释“四维空间”,通俗一词尤为有难度。为了秉承易于理解,方便不同年龄段人群阅读。以下解释不涉及任何非常专业的数学术语,比如向量,基底,内积之类。

四维空间

为了创建一个大家容易接受和理解的坐标系。首先复习一下下从零维到三维的坐标及典型性质,如下:

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常见坐标系

  • 零维:点一维:直线(数轴)二维:平面直角坐标系,由两个互相垂直相交的坐标轴设定三维 :直角坐标系(笛卡尔坐标);

很明显,点,没有任何维度

直线,只有一个维度的延伸,自身就是一维的;

平面直角坐标,自身就确定并存在与一个面中,可标记平面中任意位置

三维直角坐标,这本是平面世界中难以想象的事(不要太轻视这点),但好在我们生活在三维世界中。就如二维的直角坐标,在空间中我们可以用三条相互垂直的交线构建空间坐标体系。并通过想象将其绘于二维的纸面上(这点很重要),如上图所示。

由此可以归纳总结出下面两点:

  1. 在二维的纸面上可以绘制比其低的维数的坐标通过想象,可以在二维上绘制比其高1维且非常容易理解的三维坐标

由此可以试想,我们生活在三维的世界里 ,是否可以通过想象在三维中绘制出非常容易理解的四维空间坐标?

答案是肯定的。我们只需将上面图中的三维坐标剪下平铺于桌面(大家可以自己动手实际剪),再在原点上竖起一条垂直于桌面的线即可。如下图所示

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四维坐标,及平面中的立方体

通过上图中的四维坐标 ,已经可以清晰的看出一个独立于三维的新坐标。如果再深层思考便会发现上其实是纸面上的四维坐标 ,那么在空间加一维不就是五维空间了吗(这不在本文讲述重点,只做思考)最后,要提醒的是四维坐标中的桌面要理解为体,以下称为“体面”。

四维超体

上面对四维坐标的建立做了很直观介绍 ,接下来就该思考如何绘制四维图形了,也就是我们常说的超体(我觉得我更喜欢通俗的名字,四维图形)。

在绘制超体之前 ,我们应该先回忆一下从一维到三维图形(红色为坐标系)的绘制,并思考其中的联系。我们以线段、正方形、立方体为例来说明:

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三维以内几何图形

上图中,我们可以看到我们所最为熟悉的线段(蓝色) 、正方形(绿色) 、立方体(黄色),那么他们之间又存在何种联系?

通过图中的橙色箭头,我们可以看出:

  • 线段向独立于一维以外的维度延伸形成正方形正方形向垂直于二维面的第三维度延伸构成立方体

那么立方体再向独立于三维外的第四维延伸是否就形成了超体?

答案是肯定的,下图就是采用上述的四维坐标系,然后利用这种延伸法绘制的四维超立方体。

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大家不妨亲手拿起纸笔,按照上图中方法(是不是很直观),自己绘制一个四维超立方体。

至此,我们已经掌握了绘制四维超体的方法。使得我们可以突破三维空间的束缚,较为直观地看到四维超体形貌。以下以四维超立方体为例来说明一下有关的性质。

从上图中的四维超立方体中可以看出,其具有16个顶点(延伸法很容易得出8×2);32条边(两个立方体边+8条连接线)等。

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零维到四维图形性质

从四维超立方体我们还可以看出:在某个立体空间中 是看不到其他立体空间的。而所谓的立体也完全可能只是某个超体在三维空间的投影而已。如下图所示,体面A空间(绿色部分)中的立方体 是四维超体在体面A中的投影;图中颜色只是为了便于理解而加的。

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三维中看似固定的方向在四维中可能是弯曲的,就如同画有直线的纸面被弯曲四维中的不同三 维空间可能平行,也可能重叠,但都可以并只能通过第四维链接

神秘的四维空间现象

UFO总是能急速或者说瞬间消失在我们眼前,并且可以"变形”,这看似不可捉摸。但如果驾驶UFO的外星人是生活在四维空间里的,这就不足为奇了。他驾驶UFO在四维空间飞行,突然进入我们所在的三维空间(如前面图中桌面所代表的空间)后又飞出,在我们看来就是突然出现又消失,就如同你把一张纸面上的蚂蚁拿到另一张不相连的纸面上,原来纸面上的其他蚂蚁就认为其离奇消失了并且无法寻找,百慕大三角的失踪也可以用此来理解 ;

而 UFO的形变只是我们三位空间对四维物体的切割,就如同立方体可以被平面切割成三角形 、正方形、长方形一样;

星际旅行似乎需要极大的速度,才能在有限的时间抵达遥远的地方。感觉很难实现,但如果我们能够找到进入第四维的方法,这可能就变的不再那么困难。如同纸面上两点的距离似乎是纸面上线段的距离,但如果纸面是弯曲的,在空间中的连线可能远短于纸面上的连线。我们的三维空间也一样,在四维空间中可能存在弯曲的地方,在此穿越四维空间可能进入一个在三维中无比遥远的地方。据说黑洞和虫洞就是可能存在的其他维度入口;

密室就是指四周上下被密封的空间,其中的物体出不来,外面也进不去。但是这样的密室在四维空间中就成了完全开放的了。这到底是为什么,因为存在一个没有被阻隔的第四维度。就好比二维纸面上 ,画一个圈就可圈住蚂蚁 ,在它看来不经过此圈无法离开。可在我们看来只需将它捻起放到圈外即可。

四维时空

在物理学中描述物质变化时所需的参数就叫做维,有几个参数就是几个维。

四维时空,是指爱因斯坦在他的《广义相对论》和《狭义相对论》中提及的“四维时空”概念。我们的宇宙是由时间和空间构成,这一点是由闵可夫斯基提出,爱因斯坦又加以论证。在物理学角度上来看,维度指的是独立的时空坐标数目,因此四维空间在物理学上又称之为闵可夫斯基时空。他是将其描述成“3+1”维时空,是在空间的架构上比普通三维空间的长、宽、高三条坐标轴外又加了一条时间轴,而这条时间的轴用来表示事物在不同时间内的变化。

通俗来解释,为什么我们只能生活在此时此刻呢?那是因为我们还没有进入到时空中的第五维,这一维就是速度,当你的速度达到了极致,时间对你来说就静止了,这时你就可以随意的往来过去与未来,也就是大家常说的“穿越”。

区别与联系

数学领域中的“维度”与物理学中的“维度”是两个不同的概念。

数学上的维度是独立参数的数目,比如X、Y、Z轴都是维度,因此在数学上,多少维(空间)都可以,数学上的四维空间指的是标准欧几里德空间,其中第四维和那些X、Y、Z坐标轴具有相同的性质,但在物理学中维度指的是独立的时空坐标数目

总之,“四维时空”的第四个维度是时间轴,而“四维空间”的第四个维度并不是时间轴。因此,四维空间和四维时空是两个不同的概念。

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