為什麼空間是三維的？

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空間為什麼是三維的？而不是二維、四維或五維等其他維度的？這些問題從古希臘時代開始就一直困擾著各種物理學家和科學家。時空總體上是四維的，或者可以說是3+1維——時間是第四維。眾所周知，時間維度與熱力學第二定律有關：時間是有方向的（向前），因為熵（一種衡量系統「無秩序「程度的單位）在一個封閉的系統（如宇宙）中從來不會減少。

最近研究者發現熱力學第二定律可以解釋空間是三維的原因。「一些科學家和哲學家證明，時空3+1維的自然選擇能夠維持生物的生命、時空的穩定性以及複雜性。「來自墨西哥國立理工學院、西班牙薩拉曼卡大學，也是該文章作者之一的Julian Gonzalez-Ayala說，「通過搭建宇宙維度的物理模型，我們用合適的時空場景進行了推演。這是我們工作最具深遠影響的一步，也是三維第一次作為衡量宇宙空間的最佳物理量。」

科學家認為空間是三維的理由來自於一種叫做亥姆霍茲自由能密度的熱力學參數。在充滿輻射的宇宙空間里，這個密度好比一種存在於所有空間維度的壓力，壓力大小取決於該空間的溫度和尺寸。

研究者發現，宇宙在大爆炸之後逐漸冷卻，亥姆霍茲自由能密度在大爆炸1秒後的極高溫度下達到第一個峰值，此時的空間維度大約是三維。

因為熱力學第二定律規定，當溫度超過臨界值，空間可以轉換到更高的維度。宇宙在持續冷卻，現在的溫度遠遠低於三維度轉向高維度所需要達到的臨界值。就好像冰只有在一定高的溫度下才會融化一樣，空間維度的轉換隻是條件問題。

「在宇宙早期的冷卻過程中，由於封閉系統的熵增量原理，維數無法進行變化。達到第一個臨界溫度後也是這樣。」研究者這樣解釋。

當宇宙變得比第一次峰值更熱時，會發生大爆炸以來的第二次的宇宙縮小，但該理論仍然成立。許多宇宙學模型呈現出了更多的維度，其中最為著名的是弦理論。弦理論能解釋說明為什麼在一些模型中，更高的維度空間幾乎頻臨瓦解（或空間尺寸非常微小），而三維空間卻可以在整個可觀測的宇宙中繼續發展。

未來，研究者計劃改進模型，把可能在大爆炸瞬間（普朗克時期）出現的額外量子效應也考慮進來。而且更加完整的模型也能夠在探索其他宇宙學模型（比如量子引力）時指引方向。

研究者表示，三維空間在宇宙早期就被「凍住」了（左圖）。當空間維度n = 3時，亥姆霍茲自由能密度f在溫度T為 0.93時達到峰值（如右圖，S和U分別代表熵密度和內能密度）。當溫度T低於0.93時，三維度就無法轉換為其他維度。

蝌蚪君編譯自phys.org，譯者 Mis...，轉載須授權

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