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为什么空间是三维的?空间维度的转换只是条件

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文章滥觞: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?这些问题从古希腊期间开始就不停困扰着各类物理学家和科学家。时空总体上是四维的,或者可以说是3+1维——光阴是第四维。众所周知,光阴维度与热力学第二定律有关:光阴是有偏向的(向前),由于熵(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)中从来不会削减。

近来钻研者发明热力学第二定律可以解释空间是三维的缘故原由。“一些科学家和哲学家证实,时空3+1维的自然选择能够保持生物的生命、时空的稳定性以及繁杂性。“来自墨西哥国立理工学院、西班牙萨拉曼卡大年夜学,也是该文章作者之一的Julian Gonzalez-Ayala说,“经由过程搭建宇宙维度的物理模型,我们用相宜的时空场景进行了推演。这是我们事情最具深远影响的一步,也是三维第一次作为权房屋宙空间的最佳物理量。”

科学家觉得空间是三维的来由来自于一种叫做亥姆霍兹自由能密度的热力学参数。在充溢辐射的宇宙空间里,这个密度好比一种存在于所有空间维度的压力,压力大年夜小取决于该空间的温度和尺寸。

钻研者发明,宇宙在大年夜爆炸之后徐徐冷却,亥姆霍兹自由能密度在大年夜爆炸1秒后的极高温度下达到第一个峰值,此时的空间维度大年夜约是三维。

由于热力学第二定律规定,当温度跨越临界值,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必要达到的临界值。就似乎冰只有在必然高的温度下才会融化一样,空间维度的转换只是前提问题。

“在宇宙早期的冷却历程中,因为封闭系统的熵增量道理,维数无法进行变更。达到第一个临界温度后也是这样。”钻研者这样解释。

当宇宙变得比第一次峰值更热时,会发生大年夜爆炸以来的第二次的宇宙缩小,但该理论仍旧成立。许多宇宙学模型出现出了更多的维度,此中最为闻名的是弦理论。弦理论能解释阐明为什么在一些模型中,更高的维度空间险些频临瓦解(或空间尺寸异常微小),而三维空间却可以在全部可不雅测的宇宙中继承成长。

未来,钻研者计划改进模型,把可能在大年夜爆炸瞬间(普朗克时期)呈现的额外量子效应也斟酌进来。而且加倍完备的模型也能够在探索其他宇宙学模型(比如量子引力)时指引偏向。

钻研者表示,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分手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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