نعلم جميعًا أننا نعيش في فضاء ثلاثي الأبعاد. ولكن ماذا يعني عندما يتحدث الناس عنه أربعة أبعاد؟

هل هو مجرد نوع أكبر من الفضاء؟ هل هو “الزمكان“، الفكرة الشائعة التي انبثقت من فكرة أينشتاين النظرية النسبية؟

إذا كنت قد تساءلت عن الشكل الحقيقي للأبعاد الأربعة، فربما تكون قد صادفت رسومات “مكعب رباعي الأبعاد”. لكن أدمغتنا مبرمجة على تفسير الرسومات على الورق المسطح على أنها ثنائية أو ثلاثية الأبعاد على الأكثر، وليست رباعية الأبعاد.

لقد ألهمتنا الصعوبة التي لا يمكن التغلب عليها تقريبًا في تصور البعد الرابع علماء الرياضيات والفيزياء والكتاب وحتى بعض الفنانين لعدة قرون. ولكن حتى لو لم نتمكن من تصور ذلك تماما، فإننا يستطيع فهم ذلك.

ما هو البعد؟

البعد الفضاء يجسد عدد الاتجاهات المستقلة فيه.

الخط ذو بعد واحد. يمكننا التحرك على طوله للأمام والخلف، لكن هذين الاتجاهين متقابلان، وليس مستقلان. يمكنك أيضًا اعتبار الخيط أو قطعة الحبل أحادية البعد عمليًا، حيث أن سمكها لا يكاد يذكر مقارنة بالطول.

السطح، مثل ملعب كرة القدم أو جلد البالون، هو سطح ثنائي الأبعاد. هناك اتجاهات مستقلة للأمام والجانبية.

يمكنك التحرك قطريًا على سطح ما، لكن هذا ليس اتجاهًا مستقلاً لأنه يمكنك الوصول إلى نفس المكان عن طريق التحرك للأمام، ثم للجانب. المساحة التي نعيش فيها ثلاثية الأبعاد: بالإضافة إلى التحرك للأمام والجانب، يمكننا أيضًا القفز لأعلى ولأسفل.

الفضاء رباعي الأبعاد له اتجاه مستقل آخر. ولهذا السبب يعتبر الزمكان رباعي الأبعاد: لديك الأبعاد الثلاثة للمكان، ولكنك تتحرك للأمام أو للخلف وقت يعتبر بمثابة اتجاه جديد.

إحدى الطرق لتخيل الفضاء رباعي الأبعاد هي أن تكون بمثابة فيلم غامر ثلاثي الأبعاد، حيث يكون كل “إطار” ثلاثي الأبعاد ويمكنك أيضًا التقديم السريع والترجيع في الوقت المناسب.

النظر في المكعب

إحدى الأدوات القوية لفهم الأبعاد الأعلى هي من خلال القياسات في الأبعاد السفلية. مثال على هذه التقنية هو رسم المكعبات بأبعاد أكثر.

“المكعب ثنائي الأبعاد” هو مجرد مربع. لرسم مكعب ثلاثي الأبعاد، نرسم مربعين، ثم نربطهما من زاوية إلى أخرى لتكوين مكعب.

لذا، لرسم مكعب رباعي الأبعاد، ابدأ برسم مكعبين ثلاثي الأبعاد، ثم قم بتوصيلهما من زاوية إلى أخرى. يمكنك أيضًا الاستمرار في القيام بذلك لرسم مكعبات بخمسة أبعاد أو أكثر. (ستحتاج إلى قطعة كبيرة من الورق وتحتاج إلى الحفاظ على خطوطك مرتبة!)

يمكن أن تساعد هذه التجربة في تحديد عدد الزوايا والحواف التي يحتوي عليها المكعب ذو الأبعاد الأعلى بدقة. لكن بالنسبة لمعظمنا، لن يساعدنا ذلك على “رؤية” أحد. لن تقوم أدمغتنا بتفسير الصور إلا على أنها شبكات معقدة من الخطوط ذات بعدين أو ثلاثة أبعاد على الأكثر.

عقدة

يمكننا ربط العقد في ثلاثة أبعاد لأن الحبال ذات البعد الواحد “تلتصق ببعضها البعض”. وهذا هو السبب في أن الحبل الطويل الملفوف حول نفسه، إذا تم بشكل صحيح، لن ينكسر. نحن نثق في العقد في حياتنا عندما نبحر أو نتسلق الجبال.

لكن في الأبعاد الأربعة، ستتفكك العقد على الفور. يمكننا أن نفهم السبب باستخدام مثال بأبعاد أقل، كما فعلنا مع المكعبات.

تخيل مستعمرة من النمل ثنائي الأبعاد تعيش على سطح مستوٍ مقسومًا على خط. لا يستطيع النمل عبور الخط: إنه حاجز غير قابل للعبور بالنسبة لهم، وهم لا يعرفون حتى بوجود الجانب الآخر من الخط.

ولكن إذا أصبح يومًا ما نملة وعالمها ثلاثة– الأبعاد، تلك النملة ستتخطى الخط بسهولة. وللتخطي، فإنه يحتاج إلى التحرك قليلاً في الاتجاه الرأسي الجديد.

الآن، بدلًا من نملة وخط على سطح مستو، تخيل قطعة حبل أفقية وعمودية في ثلاثة أبعاد. سوف تلتصق ببعضها البعض إذا تم سحبها في اتجاهين متعاكسين.

لكن إذا أصبح الفضاء رباعي الأبعاد، فسيكون كافيًا أن تتحرك قطعة الحبل الأفقية قليلًا في الاتجاه الرابع الجديد، لتتجنب الاتجاه الآخر تمامًا.

عند التفكير في الأبعاد الأربعة كفيلم، فإن قطع الحبال تعيش في إطار واحد ثلاثي الأبعاد. إذا تحركت القطعة الأفقية من الحبل قليلاً إلى إطار مستقبلي، فلن يكون هناك قطعة رأسية في هذا الإطار، لذا يمكن أن تتحرك بسهولة إلى الجانب الآخر من القطعة الرأسية قبل أن تتحرك للخلف.

من منظورنا ثلاثي الأبعاد، تبدو الحبال وكأنها تنزلق عبر بعضها البعض مثل الأشباح.

عقدة في أبعاد أكثر

هل من المستحيل إذن ربط حبل بأبعاد أعلى؟ نعم: أي عقدة مربوطة بحبل سوف تنفك.

ولكن لم نفقد كل شيء: في الفضاء رباعي الأبعاد، يمكنك العقد الأسطح ثنائية الأبعاد، مثل البالونات أو بطانيات النزهة الكبيرة أو الأنابيب الطويلة.

هناك صيغة رياضية تحدد متى يمكن أن تظل العقد معقودة: خذ أبعاد الكائن الذي تريد عقده، ثم ضاعفه وأضف واحدًا. وفقًا للصيغة، هذا هو البعد الأقصى للمساحة التي يمكن فيها عقد العقد.

تشير الصيغة، على سبيل المثال، إلى أنه يمكن عقد حبل (أحادي البعد) في ثلاثة أبعاد على الأكثر. يمكن عقد سطح البالون (ثنائي الأبعاد) بخمسة أبعاد على الأكثر.

تعد دراسة الأسطح المعقودة في الفضاء رباعي الأبعاد موضوعًا حيويًا للبحث، مما يوفر البصيرة الرياضية في لا تزال أسرار غير مفهومة في تعقيدات الفضاء رباعي الأبعاد.

أعيد نشر هذه المقالة المحررة من المحادثة تحت رخصة المشاع الإبداعي. اقرأ المادة الأصلية.