《三体》中的「四维空间物体」到底看起来是什么样子的?

看过《三体》的朋友一定对书中描述的「四维空间」,以及其中的物体颇有印象:

突然间,硬币大小的“魔戒”顶天立地地出现在前方。卓文用目光操纵太空艇紧急转向,使撞向环箍的太空艇从“魔戒”的圆环中穿过。从艇中看去,像是通过了太空中一道巨大的拱门。太空艇全力减速,然后返回,悬停在距“魔戒”的圆心不远处。

首先说明一点,即人若「进入」四维空间之中,并不会有太大的异样之感觉。因人与物(三维空间中的)的构成信息皆是三维的,若进入了四维空间,信息并不会因此增加。就如一个二维的图案从纸上揭下之后,并不会因此变成一个有体积的物体。故在四维空间所见之物,可以以普通之图样显示出来,而无需特别的技巧。

考虑一个四维空间之球面,依旧按照三维空间之定义推广:即距离某一点恒为R的点的集合。
又因:2 = Sin(u)2+Cos(u)2+Sin(v)2+Cos(v)2

故可以将之写为如下的参数表达式:

p = (Sin(u),Cos(u),Sin(v),Cos(v))

此即其在四维空间之中的座标。

而人所见之空间,则是四维座标旋转了某一角度之后向三维空间之投影,就如三维空间中物体投向二维平面之影子。只不过这里的「影子」是三维的。

这里需要用一个四阶旋转矩阵M,计算M.p,取前三个座标,则得到了其在三维空间之投影。

矩阵M

(a2+b2+c2+d2 = 1)
这样,使用如下的Mathematica代码可以绘出相应的三维图像:

MakeTransM[{x_, y_, z_, k_}] := 
 Module[{a = x, b = y, c = z, d = k, 
   l = Sqrt[x^2 + y^2 + z^2 + k^2]}, {a, b, c, d} = {x, y, z, k}/l; ({
    {a, -b, -c, -d},
    {b, a, -d, c},
    {c, d, a, -b},
    {d, -c, b, a}
   })]
ParametricPlot3D[(MakeTransM[{1, 3, 1, 6}][[1 ;; 3]]).{Sin[u], Cos[u],
    Sin[v], Cos[v]}, {u, 0, 2 \[Pi]}, {v, 0, 2 \[Pi]}]
图一
图二

这是从不同角度(四维)观察一个四维球体得到的图形。可以看出,图二所示的图形比较符合书中所谓之「魔戒」。那么后面的工作便都以此为基础。

注:大家可以注意到,两个图形中的面都是交错的,一半是正面,一半是反面。可能有人说这便是所谓「同时看到里边与外边」之来历。但这种说法是不严谨的。因为这里的「里边」与「外边」都是相对于四维空间来说的。而四维球的连通性与三维球并不相同,不可一并论之。

将之导入三维建模软件,经过一大……段操作之后,可以得到如下的成品:

飞船飞入「魔戒」之中

其中的那个白色发光物体便是他们乘坐的飞船,不过由于飞船还没有完全画好(=_=||),所以只能以这么小的样子出现。

静态之图形并不能表现四维物体之奇特。需动起来方能体验,若此四维球体绕着某一轴(x,y,z,u)旋转,则人所看到的则是其整体形状的变化(偶尔会出现图一与图二之形态)。有欲以电影、动画之形式表现四维物体者需注意这一点,否则与三维物体无异,不免令人失望。

最后编辑于
©著作权归作者所有,转载或内容合作请联系作者
  • 序言:七十年代末,一起剥皮案震惊了整个滨河市,随后出现的几起案子,更是在滨河造成了极大的恐慌,老刑警刘岩,带你破解...
    沈念sama阅读 159,015评论 4 362
  • 序言:滨河连续发生了三起死亡事件,死亡现场离奇诡异,居然都是意外死亡,警方通过查阅死者的电脑和手机,发现死者居然都...
    沈念sama阅读 67,262评论 1 292
  • 文/潘晓璐 我一进店门,熙熙楼的掌柜王于贵愁眉苦脸地迎上来,“玉大人,你说我怎么就摊上这事。” “怎么了?”我有些...
    开封第一讲书人阅读 108,727评论 0 243
  • 文/不坏的土叔 我叫张陵,是天一观的道长。 经常有香客问我,道长,这世上最难降的妖魔是什么? 我笑而不...
    开封第一讲书人阅读 43,986评论 0 205
  • 正文 为了忘掉前任,我火速办了婚礼,结果婚礼上,老公的妹妹穿的比我还像新娘。我一直安慰自己,他们只是感情好,可当我...
    茶点故事阅读 52,363评论 3 287
  • 文/花漫 我一把揭开白布。 她就那样静静地躺着,像睡着了一般。 火红的嫁衣衬着肌肤如雪。 梳的纹丝不乱的头发上,一...
    开封第一讲书人阅读 40,610评论 1 219
  • 那天,我揣着相机与录音,去河边找鬼。 笑死,一个胖子当着我的面吹牛,可吹牛的内容都是我干的。 我是一名探鬼主播,决...
    沈念sama阅读 31,871评论 2 312
  • 文/苍兰香墨 我猛地睁开眼,长吁一口气:“原来是场噩梦啊……” “哼!你这毒妇竟也来了?” 一声冷哼从身侧响起,我...
    开封第一讲书人阅读 30,582评论 0 198
  • 序言:老挝万荣一对情侣失踪,失踪者是张志新(化名)和其女友刘颖,没想到半个月后,有当地人在树林里发现了一具尸体,经...
    沈念sama阅读 34,297评论 1 242
  • 正文 独居荒郊野岭守林人离奇死亡,尸身上长有42处带血的脓包…… 初始之章·张勋 以下内容为张勋视角 年9月15日...
    茶点故事阅读 30,551评论 2 246
  • 正文 我和宋清朗相恋三年,在试婚纱的时候发现自己被绿了。 大学时的朋友给我发了我未婚夫和他白月光在一起吃饭的照片。...
    茶点故事阅读 32,053评论 1 260
  • 序言:一个原本活蹦乱跳的男人离奇死亡,死状恐怖,灵堂内的尸体忽然破棺而出,到底是诈尸还是另有隐情,我是刑警宁泽,带...
    沈念sama阅读 28,385评论 2 253
  • 正文 年R本政府宣布,位于F岛的核电站,受9级特大地震影响,放射性物质发生泄漏。R本人自食恶果不足惜,却给世界环境...
    茶点故事阅读 33,035评论 3 236
  • 文/蒙蒙 一、第九天 我趴在偏房一处隐蔽的房顶上张望。 院中可真热闹,春花似锦、人声如沸。这庄子的主人今日做“春日...
    开封第一讲书人阅读 26,079评论 0 8
  • 文/苍兰香墨 我抬头看了看天上的太阳。三九已至,却和暖如春,着一层夹袄步出监牢的瞬间,已是汗流浃背。 一阵脚步声响...
    开封第一讲书人阅读 26,841评论 0 195
  • 我被黑心中介骗来泰国打工, 没想到刚下飞机就差点儿被人妖公主榨干…… 1. 我叫王不留,地道东北人。 一个月前我还...
    沈念sama阅读 35,648评论 2 274
  • 正文 我出身青楼,却偏偏与公主长得像,于是被迫代替她去往敌国和亲。 传闻我的和亲对象是个残疾皇子,可洞房花烛夜当晚...
    茶点故事阅读 35,550评论 2 270

推荐阅读更多精彩内容

  • 人类是三维生物,在我们所存在的空间中,一朵花,一片树叶都是和人类有着相同的维度,有人说一张纸很薄,它没有厚度,只存...
    wang_liang阅读 6,442评论 1 6
  • 欧拉旋转、四元数、矩阵旋转之间的差异 除了欧拉旋转以外,还有两种表示旋转的方式:矩阵旋转和四元数旋转。接下来我们比...
    AndrewFan阅读 2,336评论 0 3
  • 最近看完《三体》世界,不得不佩服刘慈欣的科学想象力。第三部的《死神永生》中的四维世界的概念还是让人眼前一亮,遐想一...
    困卡阅读 8,933评论 0 4
  • 一个女孩在空间写了这样一段话"他四天没有理我.而且总是删我给他的留言.我问他为什么.他说他想那么做.即使那样我也是...
    兰欧巴阅读 424评论 1 0
  • 大家写点评的时候,能不能用点心?能不能不要总用一张图片,好吗? 同样地,我们来看一下那些所谓的“水军”,他们是怎么...
    牟星宇浪哩个浪阅读 245评论 0 0