世界是幾維的?


如果彎曲(旋轉)是一種維度,世界大不相同

世界是幾維的?三維的?四維的?11維的?

開始討論之前先來想一下,維度的定義是什么?它有什么特點?

通常我們所說的維度指的是用來描述空間的尺度,如果把時間也作為了一個維度,我們能夠直接感知到的就是四維空間(上下、左右、前后、早晚)。

 

 

如果直接用三維空間來定義我們的世界,顯然很多幾何形狀是無法解釋的通的,比如“莫比烏斯帶”和“克萊茵瓶”。

 

 

 

 

從0維的點到三維空間,可以發現,維度升高時,會經歷從點到線、再到面再到“體”的變化。從高維度降低時,高維度的空間投影到低維度上會縮減成線或是點。時間在三維空間上的投影無法觀察(物質的衰敗算是可以看到的),因此,時間作為一個維度來理解並不合適。

傳統中對於維度的定義都是直線式的,這導致我們對於復雜結構的描述缺少必要的參數,同時在數學的表達上陷入了復雜公式的泥沼中。

當世界以旋轉(彎曲)的方式出現的時候,我們也應該以旋轉的思維來理解它。正如我們在等距螺旋中所看到的一樣,原以為的均速運動形成的螺旋,實際上是速度比保持不變所形成。

以旋轉(彎曲)為維度,重新來看一下,我們的世界,將是下面的樣子:

零維——是一個點。通常意義上,它本身並無大小,無論放大還是縮小,對它來說沒有意義。

一維——點在單一方向上發生移動,移動的軌跡就一條直線。對於一維的物體,可以用長度來進行描述。

 

 

二維——除了前后移動,還可以左右移動時,就像是橫豎交織的線條,最終可以形成一個平面。這就是二維的空間,從測量的角度來說,除了長度以外開始有了寬度。

如果沒有外力做用,物體會保持靜止或均速直線運動(一維空間)。只有當受到側向力量的影響,運動方向才會發生改變,比如受引力的影響,直線軌跡會變成圓或者螺旋。所以彎曲的曲線是受外力作用而形成,這個外力可以用一個維度來表示,就是旋轉的維度。

從這里開始,我們對於維度的認識開始分化。

 

 

圓周運動需要有引力來支持才能保持,從這一點上看,它與直線相比是增加了一個維度。螺旋與圓的關系,就是螺旋中存在外擴的直線速度。直線運動不需要有外力來維持,所以螺旋與圓相比,是同一個維度。

三維空間

二維世界向三維世界擴展時,有兩種選擇,第一種是增加一個直線維度,第二種是增加一個旋轉的維度。

1、增加直線維度

增加一個直線維度后,前面提到的二維形狀是什么樣子。

 

 

平面的紙張增加一個直線維度后,相當於增加了厚度,變成立方體。

圓弧增加一個直線維度,會變成(空心的)圓柱面。站在這個圓柱面上,我們可以左右前后移動,當我們向前水平移動時,會回到起點,因為,這里有一個旋轉的維度在里面。

螺旋線增加一個直線維度,會形成螺旋狀的曲面。

2、增加旋轉的維度

接下來看看旋轉的維度對二維形狀的改變。

一張紙卷曲起來,會形成圓柱面,這是二維平面變成三維曲線最簡單的方式。因此,圓柱面既可以看作是平面卷曲的效果,也可以看作是圓弧沿直線拉伸的效果。

 

 

圓周在旋轉時,有兩種情況,一種是以圓心點為旋轉中心,繞直徑旋轉一周得到球面。另一種情況是以圓外一點為旋轉中心,旋轉一周得到(空心)環狀曲面。

 

 

從上圖可以看到,球面與環狀面都通過增加一個旋轉維度來實現的,它們屬於同一維度的形狀。

兩個相垂直並相切的圓弧經過旋轉,可以得到馬鞍形狀,其實它是上面提到的環狀曲面的局部切片。

 

 

當平面在卷曲的過程中,伴隨着的某一方向上的移動,會形成類似於扭曲的彩條形狀。這種扭曲的條狀與圓柱面屬於相同的維度。

 

 

四維空間

若在前面提到的圓柱面、空心球面、扭曲的彩條面上增加垂直方向上的維度,圓柱面會變成實心,空心球會變成實心球。由於垂直方向上的維度可以將圓柱面變成無限“厚”,因此,理論上它將填滿整個空間,與最簡單的三維直線空間看起來完全一樣。

這就好像大海深處某個位置有一個漩渦,只有處在其中時,可以感受到運動的方向不一樣,從外面看,都是相同的實心水體。

上面提到的幾種三維空間,增加“厚度”這個維度之后都將填滿整個空間,不再是我們討論的重點,我們繼續關注增加旋轉維度情況下的空間變化。

前面我們把圓柱面稱為三維空間,在這個空間里增加直線維度—厚度,可以升級為四維。那么按照旋轉的方式增加維度,會是什么樣的效果?

 

 

按照圖中上方小圓方向對圓柱面進行扭曲,可以得到下方的圖形。

圓柱面拆開旋轉180°再接起來,得到一個很有名的形狀——莫比烏斯環。

旋轉的度數再增加一些,可以發現,每當增加180°的奇數倍時,圓柱面的正反面是相聯通的,增加偶數倍時,正反面是不聯通的。

使用CAD掃略命令(SWEEP),分別旋轉多個180倍的度數,俯視圖如下圖所示:

 

 

立體圖如下圖所示:

 

 

盡管這些曲面的旋轉度數不同,但它們都在同一個旋轉維度下連續變化得到的,所以它們屬於同一個空間維度。如果旋轉可以被定義為一個維度,則上面這些曲面都屬於4維度的曲面。

五維空間

通過旋轉增加維度時,空間沒有被完全充滿,於是維度就有了進一步升高的空間。

莫比烏斯帶增加一個旋轉的維度,就可以形成克萊茵瓶。剛想明白這個問題時激動了半天,上網一搜,別人早就證明了,連動畫效果都有了(晚了一步哈)。這個話題就不多說了,總之,克萊茵瓶是屬於五維度的空間。

通過旋轉來扭曲空間時,並不總會像克萊茵瓶那樣,形成封閉的空間曲面,發散的狀態下,會像是螺旋線的多重疊加。

 

 

通過旋轉增加維度時,旋轉的方向會有多種的選擇,所以會有多種的形狀出現,很難畫得完整,目前(我本人)的技術有限,就不再多畫了。

六維空間

給克萊茵瓶增加一個垂直於表面的直線“厚度”維度,空間將再次被充滿,所以六維度空間看起來會與三維度空間是相同的。

三維空間有三個直線軸向,在這三個直線軸向上分別疊加旋轉的維度,剛好還是六維度的形式,大膽設想,對於復雜空間的數學定義可以是(x,y,z,α,β,γ)這樣的坐標系來表示。后三者α,β,γ分別代表了以不同的圓心建立的坐標系,以角度來實現定位。

坐標系的應用舉例

地球表面的位置點,我們可以用經緯度來表示,比如我國的大地原點,陝西省涇陽縣永樂鎮,位置在:北緯34°32′27.00″,東經108°55′25.00″。如果沒有高度維度,我就會停留在這個(α,β)構成的二維地球表面。當人類能夠離開地面,或是深入水中的時候,高度才有了意義,我們的空間就成為(α,β,z)構成的三維空間。

地球繞大陽旋轉,本身又自轉,在大陽系的維度中,地球表面上的點所經過的軌跡就像是多重旋轉角度的莫比烏斯環。如果繼續增加旋轉中心點的定義,我們的維度還會有更多,但是精減合並下來,還是(x,y,z)就可以表達,只是公式上會復雜很多。

從直線到圓,只有增加額外的“引力”才能發生扭曲。若扭曲並不充分,就會有多種多樣的曲線出現,很多的二次曲線、多次曲線,都可以看作是扭曲不充分,或是中間加入了新的“引力”原素,而形成的軌跡。總體來看,空間描述中六維度已經是客觀描述的上限,或者說是可以圖形表達出來的極限。更多的11維度、平行世界的想法,個人表示無法理解,只能呵呵了。

 


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