淺談四維空間與微分的幾何化

2021-01-21 最後的弦

各位同學大家好,我們又見面了。

前兩期講了微分和積分的一些概念,相信大家看完以後對微積分有了一個簡單的認識。

這期講的話題很簡單,也是我個人的猜想,沒有事實依據,且無從考證。單憑著感覺在寫,希望各位多多包涵。

不廢話,直接進入正題。

維度:

我們知道零維是一個點,一維是一條直線,二維是一個面,三維是一個具有長寬高的空間(為了好理解我把三維稱為體),四維目前還是一個未知領域沒法具體描繪。不過等下我會根據自己的分析推導來講解我對四維空間的認識,並繪一個簡單的概念圖

用幾何簡單表示維度

目前人類能接觸到的最高維度就是三維,說時間也算一維的其實我並不太認可這種說法,因為不管有沒有空間,時間都可以作為一個單獨的物理量而存在。

接著往下看:

現在我用微分將上圖結合起來,並用簡單的數學符號來表示,如下圖:

用數學符號來代替空間

我們知道

dx(X)=1(常數)不定項,就是一個點,沒有具體意義

dx(X^2)=2x,類似於平面的兩條邊條邊,反之兩條線構成一個二維面

x^2的微分分解情況

同樣的情況:

dx(X^3)=3X^2,類似於從三個方向將三維體壓縮成三個平面,或者表達為三個二維面構成一個三維體

x^3的微分分解情況

此時是不是可以猜測四個三維體就能得到一個四維?我們從微分的公式上確實能得出這種結論

dx(X^4)=4x^3

同樣X^3求積分得到的是(1/4)X^4,三維是四分之一個四維,如下圖:

四維概念

其實我自己也有個疑問:如果四維只是這樣,那麼四個立方體該如何變換位置,因為四個立方體在同一水平上。所以這裡我用到一維積分二維的辦法,乘以2,把它想成一個閉合空間得到下圖:

任意三維空間能交換位置

感覺這就是一個二階魔方模型

理論上可以這樣表達,但實際上四維空間是由無數個立方體構成的,可以任意變換位置

平面上的螞蟻(假設螞蟻是二維),它只能看到自己二維面內的東西,並且它沒有上下視角,只有以自己為圓心的周圍360度的平面視野,要麼是線要麼是點。但把這隻螞蟻抬升一定高度,它可能什麼都看不到。當抬升高度與另一個面成一定夾角時,它也只能看到另一個面中的線或者點。

螞蟻此時只能看到周圍一圈的東西
此時什麼也看不到
移動三維空間,螞蟻會看到不同現像

所以,根據二維情況,將人類抬升一個維度時,人們看到的也只能是以自己為球心,所具有的全包圍視野。當移動四維空間位置時,人類也可以看到物體的不同形態。

所以:在四維看三維時,可以看到三維或者三維在某個時刻的微分狀態

三維是高維的基本單元

此時人類好比有了透視能力,能同時看到正方體的六個面。六個面對四維來說就成了一個面(即微分形態),恰好正方體的微分就是一個面,與上述理論吻合。

似乎可以假設,四維視角對三維視角有降維作用。難道是上帝視角?不敢想像更高維的視角是怎樣的,太可怕了。

好了,本期就寫到這,我們下期再見。

退下了,告辭。。

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