空間為什麼是三維的？答案找到了！

科技 05-13

我們身處三維空間，這可能並非偶然。

空間為什麼是三維的？答案找到了！

為什麼空間的維度是3而不是其他數字？這個問題自古希臘就一直困擾著哲學家和科學家。

時空總的維度是4，或（3+1），其中時間是第4維度。

眾所周知，時間維度與熱力學第二定律有關：時間的方向不會改變，因為在像宇宙這樣的封閉的系統中，熵（即無序的程度）永遠不會降低。

在一篇最近發表在EPL上的論文中，研究人員提出，熱力學或許也能解釋空間的維度為什麼是3。

「科學和哲學領域的一些研究人員通過證明合適的維度可以維持生命、穩定性和複雜性，已經解決了時空是（3+1）維的問題。」論文的合作者、墨西哥國立理工學院、西班牙薩拉曼卡大學的JulianGonzalez-Ayala說。

「我們工作的最重要的意義是，根據宇宙維度的物理模型以及合理的時空圖景做出了推論。這是空間維度『3』首次作為最優化的物理量出現。」

空間為什麼是三維的？答案找到了！

亥姆霍茲自由能密度（f）在溫度T=0.93時達到最大值（s和u分別代表熵密度和內能密度）

空間為什麼是三維的？答案找到了！

在T=0.93以下，3維不能轉變成其他維度

科學家提出，空間維度為3是因為一個稱為「亥姆霍茲自由能密度」的熱力學量。

在充滿輻射的宇宙中，這個密度可以看做是充滿空間的一種壓力，這種壓力取決於宇宙的溫度和維度。

研究人員證明，大爆炸後隨著宇宙溫度開始降低，在宇宙的年齡只有幾分之一秒並且維度約等於3的時候，亥姆霍茲密度在極高的溫度中達到了第一個最大值。

文中的關鍵思想是，三維空間在亥姆霍茲密度到達第一個最大值的時候被「凍結」，即空間不能由3維變成其他維度。

這是因為熱力學第二定律只允許空間在溫度高於臨界點、而非低於臨界點時向更高維度轉變。

由於宇宙溫度不斷降低，目前的溫度遠低於從3維向更高維度轉變的臨界溫度。

通過這種方法，研究人員解釋道，空間維度有些類似物質的相，向不同維度轉變就類似相變（如冰的融化），只有在足夠高的溫度中才能發生。

「在宇宙早期的冷卻過程中，在第一個臨界溫度之後，封閉系統中的熵增原理阻止了某些維度變化。」研究人員解釋道。

宇宙的年齡只有幾分之一秒時，溫度比臨界溫度高。該論文依然為這時候可能出現的更高維度留有餘地。額外維度出現在許多宇宙學模型中，最著名的就是弦論。這項新的研究可以解釋，為什麼在一些模型中額外維度出現收縮（或保持原來的大小，即非常小），而3維空間則繼續擴展到整個可觀測的宇宙。

未來，研究人員會對模型進行優化，將宇宙極早時期（「普朗克時期」）可能出現的量子效應納入模型。另外，更加完善的模型的結果或許可以為其他宇宙學模型（如量子引力）的研究人員提供思路。

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