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【娱乐向问题】非欧氏空间宇宙中的视角

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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。


IP属地:山东1楼2022-12-19 00:42回复
    【非欧世界图形引擎 - 超球面、双曲空间、黑洞...】 https://www.bilibili.com/video/BV1U54y1D73G/?share_source=copy_web&vd_source=a36fc651811df537f462e4f1c1ca9d32


    IP属地:山东2楼2022-12-19 00:44
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      建立起如图所示的映射,北极点被映射到平面圆的圆心,而南极点被映射到圆周上。那么当二维小人来到南极点之后,他们的位置被映射到圆周上,继续往前走,这些小人的位置将从圆周当前位置消失,并在圆周的对称点突然出现。随后小人继续前进,前往圆心也就是北极点。


      IP属地:山东来自Android客户端3楼2022-12-19 00:59
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        类比一下,在常曲率三维宇宙中,把整个空间映射到一个球上面,显然出发点被映射到球心,对跖点被映射到球面上。当这些人从母星出发,向着各个方向前进,看上去就是一路向着球面出发,但球面是由对跖点被映射过来的,所以实际上这群人会在球面上彼此相遇。然后身影从球面上当前位置消失,并出现在球面另一侧,然后继续前进,返回母星。
        不同的母星可以有不同的对跖点。
        在这个宇宙中,对跖点的物体会无比巨大,占据你的全部视野,你无论怎么转身,都能从不同方向看到它。
        但如果你拿掉对跖点的物体,你将怎么转身都能看到你的身后,同样也无比巨大,虽然上下左右是颠倒过来的。


        IP属地:山东来自Android客户端4楼2022-12-19 01:07
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          二、超伪球宇宙。
          三维空间伪球是由曵物线绕着渐近线旋转而来,它有着常负曲率的表面(腰线部位除外)、有限的表面积和体积,无限延伸的两个方向以及双曲性质的表面。它是一个有限大小的双曲空间(它是不完备的,完备的常曲率双曲面是无限大的,而且无法在三维空间中潜入)
          如果在伪球面上的非腰线部位某点,选定某个方向作一条测地线,除非选定方向完全向上,否则伪球面的曲率会导致该测地线的前进方向逐渐被拉平并调头向下。
          很显然,如果伪球面上有二维小人,则如果它的视野包括指向正上方(或者正下方)的方向,则它可以看到无穷远处。由于此时视野的左右界线并非完全垂直,左右界线会沿着伪球表面向上一段距离之后弯曲向下,并越过腰线后抵达伪球的下半表面,之后会在下半表面一段距离之后弯曲向上。所以一个人站在伪球上面,能看到伪球表面的绝大多数物体。
          在伪球上面的人,除非身处腰线部位,这里沿着腰线的切线方向可以无限回到原点。如果沿着腰线的垂直方向前进,则可以无限前进,但是空间会开始越来越窄,甚至到了最后你的左手能碰到右手。
          但对于身处腰线之外的人来说,除非沿着垂直于腰线切向的方向前进,否则伪球表面会倾向于把这人送回宽敞的地方(并且会反复路过腰线)。


          IP属地:山东5楼2022-12-19 01:39
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            如果某个四维生物给人类制造了一个超伪球宇宙,则这个超伪球宇宙有着常负曲率,有限的体积,以及“两个”无限延伸的方向。
            作为类比,我们喜欢把二维小人的圆环升高一个维度,变成三维人所看到的球面。那么超伪球宇宙则非常有意思。在“腰球面”上,垂直方向的曲率将无穷大(因为类比伪球腰线,在垂直于腰线的方向上不可导)。
            如果人在“腰球”上面某个点,初始方向为腰球的切向,那么无论这个人使用飞船往前飞多远,他都会回到原点,而且活动范围仅限于腰球。
            但如果这个人把飞船的方向设定为一个并非垂直于腰球面,且并非相切于腰球面的方向,则这个人飞行一段距离之后,还是会回到腰球面的位置。
            如果这个人沿着完全垂直于腰球面的方向飞行,则他可以往前无限飞行,但是空间宽度会慢慢变窄,并最终变窄到飞船无法通过的程度。
            那么,明明是从腰球面朝着垂直方向,也就是球心飞去,怎么会永远都到不了球心呢?
            因为“腰球”只不过是我们为了方便直观理解,而做出的一种映射关系而已,就如同前面的球面小人和映射圆一样。超伪球的两极区域只不过被我们映射到了球心而已,虽然看着是球心,但那只不过是被映射过后的结果,实际上“球心”你是永远也到不了的。
            不仅如此,“腰球”的外面其实和里面是完全对称的。你从垂直于腰球面的方向往外走,也会渐渐遇到一个永远到达不了的点。你从腰球往外走,实际上和从腰球往里走是一样的。
            腰球本质上是一种映射,实际上如果你真站在腰球上朝着切向看过去,会发现它看起来是平面,如果你稍微走开了,会看到它像一个曲面,站在腰球的内外两侧,看到的凸出方向是相反的。正如同二维小人站在腰线上看腰线是直线,站在腰线旁边看腰线是曲线一样。


            IP属地:山东6楼2022-12-19 02:02
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              在伪球上,沿着腰线上一点和一个稍微远离腰线的初始方向,作测地线,测地线将会迅速变平,并返回腰线,此时在小人位置和第一个交点之间,二维小人会感觉腰线往外凸。但是从第一个交点到第二个交点,小人会感觉这一段腰线往内凹。


              IP属地:山东7楼2022-12-19 02:40
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                三、超圆锥宇宙。
                这种宇宙空间是平直的,只不过存在一个奇异点,就如同圆锥面的顶点一样。
                圆锥面高斯曲率为0,是可展的曲面,上面的直线就是展开图上面的直线。作为类比,超圆锥空间理论上可以展开成平直的三维空间,但正如同圆锥面展开后被挖去一个扇形,超圆锥空间进行三维展开,就仿佛一个圆球被挖去了一个圆锥(甚至是剩下半球,甚至可能只剩下圆锥)。
                在圆锥面上,按照距离顶点等距离的位置画一个圆(如果圆锥是有限大的直圆锥的话,那这个圆平行于底面)。如果是平直空间的二维小人,会观察到这个圆的周长有亏损。例如,一个侧面斜率为1的圆锥面,在高度为1处,按照距离顶点根号2计算的圆周长理应为2根号2倍π,但实际上周长仅有2π,就出现了周长亏损。这是因为该区域围绕着圆锥顶点,该奇异点的高斯曲率无穷大。
                同理,在超圆锥空间中,人们也将会发现围绕奇异点的球面的面积会出现亏损,即球面的实际面积小于该半径的球面的理论面积。若以闭合轨迹行进一圈,且闭合轨迹的最小曲面通过了该奇异点,人们还会发现自己遇到了角度亏损现象。


                IP属地:山东来自Android客户端8楼2022-12-19 08:31
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                  四、超柱面。
                  很简单的一类空间,都是平直的空间。如果是超圆柱面宇宙,人在里面会感觉前后方向是循环的,空间的前后长度有限,只能通过空间扭曲,把前面接到后面,一直朝前走能一直回到此地。
                  但如果朝左右方向或者上下方向移动 ,这两个方向上空间是无限宽的。


                  IP属地:山东来自Android客户端9楼2022-12-19 08:40
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