四维空间

(标准欧几里得空间)

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四维空间不同于三维空间,四维空间指的是标准欧几里德空间,可以拓展到n维;四维时空指的是闵可夫斯基空间概念的一种误解。人类作为三维物体可以理解四维时空(三个空间维度和一个时间维度)但无法认识以及存在于四维空间,因为人类属于第三个空间维度生物。通常所说时间是第四维即四维时空下的时间维度。四维空间的第四维指与x,y,z同一性质的空间维度。然而四维时空并不是标准欧几里得空间,时间的本质是描述运动的快慢。
通过一维、二维、三维空间的演变,人们提出了关于四维空间的一些猜想。尽管这些猜想现在并不能证明是正确的,但科学理论有很多是由猜想开始的。现今科学理论一般是基于现象总结规律,而关于四维空间的现象没有足够准确清晰的认识,或者看到了这种现象却并没有想到是四维空间引起的。
可以定义可以度量的都可以有维度。比如点、线、面、时间、温度,构成五维空间也能说的通。
当然也可以定义点线面的拓扑空间为第四维、第五维、第六维以至第N维。这在数学公式推理推导中很容易实现,但现实很难对应和想像。
中文名
四维空间
外文名
four-dimensional space
别    称
四度空间
表达式
ax+by+cz+du+e=0
应用学科
数学,物理学
适用领域范围
量子、宇宙学

四维空间定义

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在物理学中描述物质变化时所需的参数,这个参数就叫做维。几个参数就是几个维。比如描述“门”的位置就只需要角度,所以是一维的而不是二维。
简单地说:零维是点,没有长度、宽度及高度。一维是由无数的点组成的一条线,只有长度,没有其中的宽度、高度。二维是由无数的线组成的面,有长度、宽度没有高度。三维是由无数的面组成的体,有长度、宽度、高度。
因为人的眼睛只能看到二维,二维生物看对方只有一条线。人的双眼看到的是两个二维投影,经过大脑处理形成一个整体的视觉。
一个简单的说法:N维就是两个以上的N-1维物体垂直所形成的空间。
1维的线,由1-1=0维的点均分;2维的面,由2-1=1维的线相互垂直均分;3维的空间,由3-1=2维的平面相互垂直均分。
因为,人类只能理解3维,所以后面的维度可以通过数学理论构建,但要仔细理解就很难。在量子力学,仍在建立的弦理论,认为世界是11维的。

四维空间四维时空

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首先,错误的说法是把”四维空间定义为三维空间+时间轴”,而”三维空间+时间维”是另一种说法。前者也并非是什么四维时空,而且本身四维时空是个伪概念。很简单“时间只是因为粒子运动、宇宙膨胀而出现的概念,为什么它就能成为第四维?”
  另外,时空和四维空间的概念是有区别的
  将四维空间定义为三维空间+时间轴的说法是对于闵可夫斯基空间( Minkowski space)这个概念的误解,而为什么这个误解这么广泛呢?很简单,无数科幻小说甚至于科普读物刻意去硬生生地套用了这么一个东西,造成广泛的读者影响。其中这个里面涉及到了一组四维矢量场,也就是:
四维矢量依据它们(闵可夫斯基)内积的正负号来区分。可以分类如下:
  • 类时(timelike),
  • 类空(spacelike),
  • (null)或称类光(lightlike),
然而,关于零矢量一个有用的结果:“若两个零矢量、正交(即:零内积值),则它们必定是呈比例关系(为常数)。”
以上的零基底部的时间方向选定,以及类时向量的概念,让很多人误以为“空间和时间组成了另一个空间”,而实际上上面只是描述了时间和空间的协同作用罢了。这便是前面那个说法的来源。
  而实际上时间维是一种替代说法,并不是说第四个维度是时间,和前面那种说法并非一回事,第四维在主流的说法中具有连续性,著名的数学模型克莱因瓶,第四维穿过三维这个本质多面体,但四维空间的本质还是空间。而为什么这一维会定义为时间维度呢,是因为某一派观点认为广延的“时间”具有空间性,故而出现的一种替代说法,你要将它叫什么其实都可以,它是一个统一,确定的定义概念下产生的依据不同学派自主概念的命名法。
  有些同学有点纠结于“时空”这个说法,我先说,没有四维时空这种说法还有另一个理由,也就是时空在近代物理学中的概念本来就是四维的,所以不会冒出五维时空,也不存在时空前面特别说明为四维。近代物理学某一派认为,时间空间相互且可变,且其变量互相存于其中,而他们在特定条件下所对应的这一个广域叫做时空(最早的人确实将时空等同于空间加时间轴,更多在避开这种本初定义),时空可能受到物质和能量的影响发生扭曲或者凹陷,且其最小单位是普朗克时间和普朗克长度。这是这个概念的由来,但是很多人把时空和四维空间混用,这两者有相关性,但不能混用。
从广义上讲:维度是事物“有联系”的抽象概念的数量,“有联系”的抽象概念指的是由两个抽象概念联系而成的抽象概念,如面积。所以四维就是四个有联系的抽象概念组成的,第四个抽象概念是时间第四联系值为速度。
高维度时空和高维度空间是不同的。举例来说,在三维空间中只有一个时间维度,但它是一个伪维度,即它的单位和其他三个维度不同。四维空间的第四维仍然和三维空间的维度具有相同性质,时间仍是伪维度。因此,不可把时空和空间混为一谈。

四维空间概念

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从广义上讲:维度是事物“有联系”的抽象概念的数量,“有联系”的抽象概念指的是由两个抽象概念联系而成的抽象概念,如面积。[1]所以四维就是四个有联系的抽象概念组成的,第四个抽象概念是实时间,第四联系值为速度。

四维空间四维研究

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摘要
几何不一定是真实现象的描述,几何空间和自然空间并不能完全等同看待,纯概念的研究几何的发展是数学界的一个里程碑。从零维空间到三维空间,尤其是从三维空间到四维空间的发展更是几何学的的一次革命。
关键词
零维;一维;二维;三维;四维;n维;几何元素;点;直线;平面。

四维空间发展历程

n维空间概念,在18世纪随着分析力学的发展而有所前进。在达朗贝尔.欧拉和拉格朗日的著作中无关紧要的出现第四维的概念,达朗贝尔在《百科全书》关于维数的条目中提议把时间想象为第四维。在19世纪高于三维的几何学还是被拒绝的。麦比乌斯(karl august mobius 1790-1868)在其《重心的计算》中指出,在三维空间中两个互为镜像的图形是不能重叠的,而在四维空间中却能叠合起来。但后来他又说:这样的四维空间难于想象,所以叠合是不可能的。这种情况的出现是由于人们把几何空间与自然空间完全等同看待的结果。以至直到1860年,库摩尔(ernst eduard kummer 1810-1893)还嘲笑四维几何学。但是,随着数学家逐渐引进一些没有或很少有直接物理意义的概念,例如虚数,数学家们才学会了摆脱“数学是真实现象的描述”的观念,逐渐走上纯观念的研究方式。虚数曾经是很令人费解的,因为它在自然界中没有实在性。把虚数作为直线上的一个定向距离,把复数当作平面上的一个点或向量,这种解释为后来的四元数,非欧几里得几何学,几何学中的复元素,n维几何学以及各种稀奇古怪的函数,超限数等的引进开了先河,摆脱直接为物理学服务这一观念迎来了n维几何学。
1844年格拉斯曼四元数的启发下,作了更大的推广,发表《线性扩张》,1862年又将其修订为《扩张论》。他第一次涉及一般的n维几何的概念,他在1848年的一篇文章中说:
我的扩张的演算建立了空间理论的抽象基础,即它脱离了一切空间的直观,成为一个纯粹的数学的科学,只是在对(物理)空间作特殊应用时才构成几何学。
然而扩张演算中的定理并不单单是把几何结果翻译成抽象的语言,它们有非常一般的重要性,因为普通几何受(物理)空间的限制。格拉斯曼强调,几何学可以物理应用发展纯智力的研究。几何学从此开始割断了与物理学的联系而独自向前发展。
经过众多的学者的研究,遂于1850年以后,n维几何学逐渐被数学界接受。

四维空间研究

四维空间的概念也可以通过解析几何的手段来研究。在那里我们可以利用代数方程来表示几何概念。为了利用这个手段进行观察以导致对四维空间的理解,我们来研究三维空间体系中的三个几何元素——点、直线和平面的方程。利用笛卡尔系统表示,我们可以写出:
点的方程:ax + b = 0 (坐标系:直线上的一个点)。
直线的方程:ax + by + c = 0 (坐标系:平面上的两条正交直线)。
平面的方程:ax + by + cz + d = 0 (坐标系:三维空间的三个互相垂直的平面)。
从上面的研究我们可以看出:
所表示的每一个几何元素(或空间)的方程中的变量数目,等于这个空间的维数加1。
坐标系中的几何元素与被表示的几何空间的几何元素的维数相同。
在这个坐标系中,几何元素的数目等于被表示的空间的维数加1。在坐标系中,几何元素的这个数目是最低要求。
用来表示几何元素的坐标系,位于比它所含有的几何元素高一维的空间里。
根据上述观察,我们可以写出三维空间的下述方程。应当注意:这个方程有四个变量(x、y、z、u)。
ax + by + cz + du + e = 0
根据这公式我们可以断定:
1. 这个坐标系的几何元素有三维,即它们是三维空间。
2. 在这个坐标系中有四个三维空间。
3. 这个坐标系位于一个四维空间里。
我们对于四维空间乃至更高空间的研究,不是通过实验总结的方式,在现实中我们很难发现并推导出它们的一般规律,对于这些问题,我们可以采取一种新的研究方式。即:纯概念的研究。通过这种方式,我们可以容易的推导出这些很重要但在现实中不易想象的新内容。
如果一个三维空间的东西,当他的密度为负值时,是否会变成四维空间的事物呢?

四维空间轴对称性

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对于四维空间,人们普遍认为空间有轴对称性,或是中心对称。譬如,倘若一个三维空间的人进入四维空间,并且按照适当的方式“旋转”一下再回到三维空间,那么他会被‘轴对称’一下(这在三维空间中当然是不可能实现的,除非运用三维版本的麦比乌斯带)。当然,由于没有人进入四维空间,所以这只是一个从二维空间类比而得的假设,无法进行验证。但是关于时间轴的观点以及时空错乱瞬间的现象与这是相符的。
从二维空间的一个图形是不能在二维空间进行对称的,但进入三维空间,就可以通过进行翻转回到二维空间时,就可以实现对称,因为在二维空间是不能进行翻转的,只能旋转或平移。因此我们可以推测三维物体进入了四维空间,再回到三维空间可能物体会被“轴对称”一下。