二维空间的封闭是圆,三维空间的封闭是球,四维空间的封闭是什么?
这是一个很严肃正经的数学问题。
我这里给出严格数学意义上的归纳。你看完之后,会发现其实四维空间没有你想象中的复杂,要理解4维的球形并不是不可能。本文尽量不用公式和术语,方便大家理解。
你看不到不代表它不存在,更不代表我们想象不到;18世纪被提出时就被认为无稽之谈的四维几何 在爱因斯坦提出相对论之后,越来越有实际应用价值。
在这里并没有引入除公设公理之外任何的假设,整个数学大厦的构建依靠的基础就是如此简单,高维空间也不例外。如果你能够在一张二维纸上具象三维物体,我就能引导你在一本三维“书”上具象四维。
空间内的封闭可以是不规则图形,如果用最简单的圆形封闭,本句可作为该问题的答案,但要如何理解呢?四维空间里,就算是最简单的图形,解释起来也要花点功夫。
开始前,首先要明确四维空间的定义。
少数人认为“第四维就是时间”,是的,这是四维时空的第四维,但不是四维空间的第四维。详见四维空间为什么不是三维空间加上时间? - 视限的回答
Part 1:关于四维球
为方便记述,记一点为原点,建立欧氏几何直角坐标系(其实建立球坐标系描述要简单得多,但为更多人所理解,此处用大家熟悉的欧几里得空间建系)。封闭距离设为1。在n维空间就有n个任意两两都垂直的坐标轴。
所以在一维空间,球的边缘只有两个点,-1,和1。
没错,一维球在我们三维空间来看就是两个点:
. .
虽然可能感觉很奇怪,但从定义上(x²=1的实解)讨论,就是这样, 一维世界的图形除了点线还有什么呢?
如果我们将这两个点绕着中心的点在平面旋转一周会得到什么呢?
在二维空间,我们可依勾股定理公式得出所有到原点相同距离的点的集合,x²+y²=1²,得到的是无数个实数解,这些点形成二维空间的封闭图形:
〇
图形内的点在二维空间内无法不通过此图形而越到外面。
如果我们将这个圆绕着中心的线在三维空间旋转一周会得到什么呢?
在三维空间,相同道理,x²+y²+z²=1,也得到无数个实数解,这些解的集合是一个三维球,是很易理解,每个点都是上述方程的解