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空间为什么是三维的?

2016-05-13 21:45:46 整理发布    

我们身处三维空间,这可能并非偶然。为什么空间的维度是3而不是其他数字?这个问题自古希腊就一直困扰着哲学家和科学家...《空间为什么是三维的?

我们身处三维空间,这可能并非偶然。

为什么空间的维度是3而不是其他数字?这个问题自古希腊就一直困扰着哲学家和科学家。时空总的维度是4,或(3+1),其中时间是第4维度。众所周知,时间维度与热力学第二定律有关:时间的方向不会改变,因为在像宇宙这样的封闭的系统中,熵(即无序的程度)永远不会降低。

空间为什么是三维的?

在一篇最近发表在EPL上的论文(论文基本信息见文章末尾)中,研究人员提出,热力学或许也能解释空间的维度为什么是3。

“科学和哲学领域的一些研究人员通过证明合适的维度可以维持生命、稳定性和复杂性,已经解决了时空是(3+1)维的问题。”论文的合作者、墨西哥国立理工学院、西班牙萨拉曼卡大学的Julian Gonzalez-Ayala说。

“我们工作的最重要的意义是,根据宇宙维度的物理模型以及合理的时空图景做出了推论。这是空间维度‘3’首次作为最优化的物理量出现。”

空间为什么是三维的?

▲亥姆霍兹自由能密度(f)在温度T=0.93时达到最大值(s和u分别代表熵密度和内能密度)。

空间为什么是三维的?

▲在T=0.93以下,3维不能转变成其他维度。

科学家提出,空间维度为3是因为一个称为“亥姆霍兹自由能密度”的热力学量。在充满辐射的宇宙中,这个密度可以看做是充满空间的一种压力,这种压力取决于宇宙的温度和维度。研究人员证明,大爆炸后随着宇宙温度开始降低,在宇宙的年龄只有几分之一秒并且维度约等于3的时候,亥姆霍兹密度在极高的温度中达到了第一个最大值。

文中的关键思想是,3维空间在亥姆霍兹密度到达第一个最大值的时候被“冻结”,即空间不能由3维变成其他维度。

这是因为热力学第二定律只允许空间在温度高于临界点、而非低于临界点时向更高维度转变。由于宇宙温度不断降低,目前的温度远低于从3维向更高维度转变的临界温度。通过这种方法,研究人员解释道,空间维度有些类似物质的相,向不同维度转变就类似相变(如冰的融化),只有在足够高的温度中才能发生。

“在宇宙早期的冷却过程中,在第一个临界温度之后,封闭系统中的熵增原理阻止了某些维度变化。”研究人员解释道。

宇宙的年龄只有几分之一秒时,温度比临界温度高。该论文依然为这时候可能出现的更高维度留有余地。额外维度出现在许多宇宙学模型中,最著名的就是弦论。这项新的研究可以解释,为什么在一些模型中额外维度出现收缩(或保持原来的大小,即非常小),而3维空间则继续扩展到整个可观测的宇宙。

未来,研究人员会对模型进行优化,将宇宙极早时期(“普朗克时期”)可能出现的量子效应纳入模型。另外,更加完善的模型的结果或许可以为其他宇宙学模型(如量子引力)的研究人员提供思路。


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