为什么空间是三维的？

为什么空间是三维的？而不是二维、四维或五维？自古希腊以来，这些问题一直困扰着各类物理学家和科学家。时空通常是四维的，或者3+1维的时间是第四维。众所周知，时间维度与热力学第二定律有关:时间是有方向性的(向前)，因为熵(衡量系统“无序”程度的单位)在封闭系统(如宇宙)中永远不会减少。

最近，研究人员发现热力学第二定律可以解释为什么空间是三维的。一些科学家和哲学家已经证明，时空的3+1维自然选择可以维持时空的生命性、稳定性和复杂性文章作者之一、来自墨西哥国家理工学院和西班牙萨拉曼卡大学的朱利安·冈萨雷斯-阿亚拉说，“通过建立宇宙维度的物理模型，我们使用了适当的时空场景进行演绎。这是我们工作中最深远的一步，也是第一次用三维作为衡量空间的最佳物理量。”

科学家认为，空间之所以是三维的，是因为一个叫做亥姆霍兹*能密度的热力学参数。在一个充满辐射的空间里，这种密度就像是存在于空间所有维度的压力。压力取决于温度和空间的大小。

研究人员发现宇宙在大爆炸后逐渐冷却下来，亥姆霍兹*能密度在大爆炸后一秒的极高温度下达到第一个峰值，当时空间维度大约是三维。

因为热力学第二定律规定，当温度超过临界值时，空间可以转换到更高的维度。随着宇宙继续冷却，当前的温度远低于从三维向高维转变所需的临界值。正如冰只有在一定的高温下才会融化一样，空间维度的转换只是一个条件问题。

“在宇宙的早期冷却过程中，由于封闭系统的熵增原理，量纲不能改变。达到第一个临界温度后也是如此。”研究者这样解释。

当宇宙变得比第一个峰值更热时，它将自大爆炸以来第二次收缩，但是这个理论仍然有效。许多宇宙模型展示了更多的维度，其中最著名的是弦理论。弦理论可以解释为什么在一些模型中，高维空间几乎崩溃(或者空间的大小非常小)，而三维空间可以在整个可观测的宇宙中继续发展。

未来，研究人员计划改进模型，以考虑到大爆炸(普朗克周期)时刻可能发生的额外量子效应。此外，一个更完整的模型也可以指导其他宇宙学模型的探索(如量子引力)。

研究人员说，三维空间在早期宇宙中是“冻结的”(左)。当空间维数n = 3时，当温度t为0.93时，亥姆霍兹*能密度f达到峰值(如右图所示，s和u分别表示熵密度和内能密度)。当温度T低于0.93时，三个维度不能转换为其他维度。

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