為什麼我們的空間是三維的
作者：章德海（中國科學院物理科學學院教授）
天高任鳥飛，海闊憑魚躍。太陽系外還有許多恆星，銀河系外還有許多星系。我們生活在遼闊的空間中。這個空間的最大特徵是三維，即空間的每個點可被前後、左右、上下三個互相垂直的獨立方向來定位。如果一個空間除了用長、寬、高之外，還需要用第四個與前三者都垂直的方向和尺度來描寫和定位，那麼這樣的空間就是四維空間了。以此類推，還可以有更高維空間。在數學上，高維空間是可行的，但即使我們動用最龐大先進的物理儀器也難以覺察到它們的存在。
我們的空間取三維也是有道理的，與我們的生存有關，維數多了少了都不能理解自然的生命存在。簡單地說，維數大於三維，連穩定的行星軌道都沒有；維數小於三維，就沒有生命世界需要的複雜結構。
行星軌道
在我們三維空間中的行星軌道是穩定的。根據牛頓運動定律，引力與距離的二次方成反比，慣性離心力和引力向心力恰好可以達到平衡和穩定（更準確地說，行星軌道是橢圓）。但是在高維空間中，雖然慣性離心力的規律仍不變，向心的萬有引力的規律卻改變了。高維引力場的強度不再與距離的二次方成反比，而是與距離的三(或更高)次方成反比。於是行星運行過程中向心力和離心力間的平衡性質就被改變了,由三維空間中的穩定平衡變成了高維空間中的不穩定平衡。因此高於三維的空間就沒有穩定的行星軌道，甚至連穩定的原子結構都沒有。
低於三維的空間沒有複雜結構，這點很好理解。例如，要想讓變形蟲的進食口與排泄口不是同一處，二維變形蟲就得被腸道分為不相連接的兩半，它就不是一個整體了。因此，即使有高維空間，它也必須得緊緻到宏觀三維。這在弦理論中卻是一個不小的難題。為什麼宇宙大爆炸只擴展其中三維，其他額外七維卻保持緊緻而不擴展，也是一個很大的謎。
[責任編輯:張佳興]
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