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为什么空间是三维的?

所属栏目: 趣科技    发布时间: 2017-4-16 17:14:14   文章来源:互联网

  文章来源:蝌蚪五线谱

  空间为什么是三维的?而不是二维、四维或五维等其他维度的?这些问题从古希腊时代开始就一直困扰着各种物理学家和科学家。时空总体上是四维的,或者可以说是3+1维——时间是第四维。众所周知,时间维度与热力学第二定律有关:时间是有方向的(向前),因为熵(一种衡量系统“无秩序“程度的单位)在一个封闭的系统(如宇宙)中从来不会减少。

  最近研究者发现热力学第二定律可以解释空间是三维的原因。“一些科学家和哲学家证明,时空3+1维的自然选择能够维持生物的生命、时空的稳定性以及复杂性。“来自墨西哥国立理工学院、西班牙萨拉曼卡大学,也是该文章作者之一的Julian Gonzalez-Ayala说,“通过搭建宇宙维度的物理模型,我们用合适的时空场景进行了推演。这是我们工作最具深远影响的一步,也是三维第一次作为衡量宇宙空间的最佳物理量。”

  科学家认为空间是三维的理由来自于一种叫做亥姆霍兹自由能密度的热力学参数。在充满辐射的宇宙空间里,这个密度好比一种存在于所有空间维度的压力,压力大小取决于该空间的温度和尺寸。

  研究者发现,宇宙在大爆炸之后逐渐冷却,亥姆霍兹自由能密度在大爆炸1秒后的极高温度下达到第一个峰值,此时的空间维度大约是三维。

  因为热力学第二定律规定,当温度超过临界值,空间可以转换到更高的维度。宇宙在持续冷却,现在的温度远远低于三维度转向高维度所需要达到的临界值。就好像冰只有在一定高的温度下才会融化一样,空间维度的转换只是条件问题。

  “在宇宙早期的冷却过程中,由于封闭系统的熵增量原理,维数无法进行变化。达到第一个临界温度后也是这样。”研究者这样解释。

  当宇宙变得比第一次峰值更热时,会发生大爆炸以来的第二次的宇宙缩小,但该理论仍然成立。许多宇宙学模型呈现出了更多的维度,其中最为著名的是弦理论。弦理论能解释说明为什么在一些模型中,更高的维度空间几乎频临瓦解(或空间尺寸非常微小),而三维空间却可以在整个可观测的宇宙中继续发展。

  未来,研究者计划改进模型,把可能在大爆炸瞬间(普朗克时期)出现的额外量子效应也考虑进来。而且更加完整的模型也能够在探索其他宇宙学模型(比如量子引力)时指引方向。

  研究者表示,三维空间在宇宙早期就被“冻住”了(左图)。当空间维度n = 3时,亥姆霍兹自由能密度f在温度T为 0.93时达到峰值(如右图,S和U分别代表熵密度和内能密度)。当温度T低于0.93时,三维度就无法转换为其他维度。


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