一、什么是四维空间
超过三维的空间,即高维空间,作为几何对象是很难理解的,作为代数对象却很容易理解。
根据我们日常对一维(线)、二维(面)、三维(体)空间的印象,一个空间有几维,就是在这个空间中能够做几条互相垂直的直线,或者说有几个互相垂直的方向。你面前一条左右伸展的直线上,只有左右方向。你面前一张铺开的白纸上,有左右方向加上下方向。你面前的整个空间中,有左右方向、上下方向和前后方向。
以此类推,四维空间就是在左右、上下和前后之外,还有一个与它们垂直的方向的空间。这个定义一目了然,人脑却难以想象出来(不排除有些数学家经过特殊训练有可能想象出来),因为我们日常见到的空间是三维空间,不存在这第四个方向。四维都想象不出来,更高维度就更不用说了。所以说,高维空间作为几何对象是很难理解的。
从代数的观点看,n维的空间就是所有的满足以下性质的矢量的集合:(1)有n个互相垂直的基础矢量属于此集合,垂直的定义是纯粹代数的,即两个矢量的“内积”等于0;(2)此集合中任何一个矢量都等于这n个基础矢量乘以某些常数后相加(即这些基础矢量的线性叠加),例如2乘以第一个基础矢量,加上3乘以第二个基础矢量,加上0.5乘以第三个基础矢量,加上0乘以后面的基础矢量。你如果能看懂,太好了。如果看不懂,没办法,只能说这是大学里线性代数的内容,等你学到线性代数就明白了。这个定义的妙处是完全不需要空间想象,无论多少维在数学表述上都是一样的。所以说,高维空间作为代数对象很容易理解。
二、四维空间就是无数个三维空间
我先从0维空间说起,大家一起来想像一下(人的大脑是可以超维度的,所以可以想像出高维空间)
0维—— 一个点,没有上、没有下、没有左、没有右也没有前也没有后,就是一个点。 1维—— 无数个点(0维空间)组成的一条线,有了前和后的概念;但是,任然没有左右和上下。
2维—— 无数条相同的线(1维空间)组成的一个面;有前后也有左右的概念,但是,上和下任然不存在。
3维—— 我们生存的空间;由无数个面(2维空间)一层一层的叠起来组成的“立方体”空间,有上下、有前后也有左右的概念。
4维—— 超越我们生存的空间;由无数个立方体(3维空间)组成的“超立方”空间。在这个空间里,上下、左右、前后是无限的。
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