为什么我们的空间是三维的

2017-06-26 08:46 来源:科普中国网 
2017-06-26 08:46:39来源:科普中国网作者:责任编辑:张佳兴

  作者:章德海(中国科学院物理科学学院教授)

  天高任鸟飞,海阔凭鱼跃。太阳系外还有许多恒星,银河系外还有许多星系。我们生活在辽阔的空间中。这个空间的最大特征是三维,即空间的每个点可被前后、左右、上下三个互相垂直的独立方向来定位。如果一个空间除了用长、宽、高之外,还需要用第四个与前三者都垂直的方向和尺度来描写和定位,那么这样的空间就是四维空间了。以此类推,还可以有更高维空间。在数学上,高维空间是可行的,但即使我们动用最庞大先进的物理仪器也难以觉察到它们的存在。

  我们的空间取三维也是有道理的,与我们的生存有关,维数多了少了都不能理解自然的生命存在。简单地说,维数大于三维,连稳定的行星轨道都没有;维数小于三维,就没有生命世界需要的复杂结构。

为什么我们的空间是三维的

行星轨道

  在我们三维空间中的行星轨道是稳定的。根据牛顿运动定律,引力与距离的二次方成反比,惯性离心力和引力向心力恰好可以达到平衡和稳定(更准确地说,行星轨道是椭圆)。但是在高维空间中,虽然惯性离心力的规律仍不变,向心的万有引力的规律却改变了。高维引力场的强度不再与距离的二次方成反比,而是与距离的三(或更高)次方成反比。于是行星运行过程中向心力和离心力间的平衡性质就被改变了,由三维空间中的稳定平衡变成了高维空间中的不稳定平衡。因此高于三维的空间就没有稳定的行星轨道,甚至连稳定的原子结构都没有。

  低于三维的空间没有复杂结构,这点很好理解。例如,要想让变形虫的进食口与排泄口不是同一处,二维变形虫就得被肠道分为不相连接的两半,它就不是一个整体了。因此,即使有高维空间,它也必须得紧致到宏观三维。这在弦理论中却是一个不小的难题。为什么宇宙大爆炸只扩展其中三维,其他额外七维却保持紧致而不扩展,也是一个很大的谜。

[责任编辑:张佳兴]

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