部分非欧氏三维空间的视角可以从二维小人在非欧氏二维空间的视角推理得到,部分情况下需要借助微分几何的部分知识。
例如,在高斯曲率恒定的球面上,一群二维小人从北极点向不同方向出发,在南极点(对跖点)相遇,越过南极点之后又开始前往北极点。
因此,可以推理出,在三维恒定正曲率宇宙中,一群人乘坐飞船从母星出发,以不同方向向周围飞行,就是从原点出发,方向各不相同而模长相同的向量。这群人看起来是在朝着各个方向飞行,但是这些飞船最终会在母星对跖点位置的星球相遇(超球面的对跖点只能在四维空间中直观展示,正如同球面的对跖点只能在三维空间直观展示一样)。随后这些人的飞船越过对跖点星球,并从反方向返回母星。
听上去很反直觉,但正如同二维小人的视角,在他们眼中,从原点出发,均匀地向着周围前进,按道理来说所有人应该是在一个不断扩张的圆上面,怎么可能会在某一个点相遇呢?但是,三维空间视角的人类,借助球面,可以直观解释二维小人所遇到的现象。
所以,借助高维空间,也可以解释三维非欧氏空间里面一些非常反直觉的现象。
可以去搜一下B站的视频“非欧世界图形引擎 - 超球面、双曲空间、黑洞”,里面有中国科技大学计算机图形学课程大作业,展示了常正曲率三维空间中看起来会怎么样,尤其是有一段,人越往前走,面前的球看起来反而越小,很多人都不知道是怎么回事。
借助二维小人来类比一下,二维小人站在北极点往南看,眼睛的左右视野线沿着经线圆(测地线)往南眼神,所以视野范围在北半球(也就是视野距离所占据的圆心角小于π/2)的时候,视野距离越远,视野范围越宽。但是一旦视野延伸到南半球却不越过南极点,也就是视野距离所占据的圆心角大于π/2但小于π的时候,视野距离越远,视野范围越窄,因为两条经线之间的宽度会越来越窄,这导致某个恒定宽度的物体在南半球距离小人越远,它在视野中占据的角度越大,二维小人就会感觉这个物体反而越来越宽。
这一现象完全可以类比到三维常正曲率空间。
例如,在高斯曲率恒定的球面上,一群二维小人从北极点向不同方向出发,在南极点(对跖点)相遇,越过南极点之后又开始前往北极点。
因此,可以推理出,在三维恒定正曲率宇宙中,一群人乘坐飞船从母星出发,以不同方向向周围飞行,就是从原点出发,方向各不相同而模长相同的向量。这群人看起来是在朝着各个方向飞行,但是这些飞船最终会在母星对跖点位置的星球相遇(超球面的对跖点只能在四维空间中直观展示,正如同球面的对跖点只能在三维空间直观展示一样)。随后这些人的飞船越过对跖点星球,并从反方向返回母星。
听上去很反直觉,但正如同二维小人的视角,在他们眼中,从原点出发,均匀地向着周围前进,按道理来说所有人应该是在一个不断扩张的圆上面,怎么可能会在某一个点相遇呢?但是,三维空间视角的人类,借助球面,可以直观解释二维小人所遇到的现象。
所以,借助高维空间,也可以解释三维非欧氏空间里面一些非常反直觉的现象。
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借助二维小人来类比一下,二维小人站在北极点往南看,眼睛的左右视野线沿着经线圆(测地线)往南眼神,所以视野范围在北半球(也就是视野距离所占据的圆心角小于π/2)的时候,视野距离越远,视野范围越宽。但是一旦视野延伸到南半球却不越过南极点,也就是视野距离所占据的圆心角大于π/2但小于π的时候,视野距离越远,视野范围越窄,因为两条经线之间的宽度会越来越窄,这导致某个恒定宽度的物体在南半球距离小人越远,它在视野中占据的角度越大,二维小人就会感觉这个物体反而越来越宽。
这一现象完全可以类比到三维常正曲率空间。