为什么我们的空间是三维的
冷知识
2025-04-27 00:33:14
鸟儿在天空中飞翔，鱼在广阔的大海中跳跃。太阳系外有许多恒星，银河系外有许多星系。我们生活在一个广阔的空间里。这个空间最大的特点是三维的，也就是说，空间的每个点都可以由三个相互垂直的独立方向来定位。如果一个空间除了长度、宽度和高度外，还需要用垂直于前三个方向的第四个方向和比例来描述和定位，那么这样的空间就是四维空间。以此类推，可以有更高维的空间。从数学上讲，高维空间是可行的，但即使我们使用最大、最先进的物理仪器，也很难探测到它们的存在。
行星轨道
我们也可以选择三维空间，这与我们的生存息息相关。如果维度或多或少，我们就无法理解自然生命的存在。简言之，如果维度大于三维，就没有稳定的行星轨道；如果维度小于三维，就没有生命世界所需要的复杂结构。
我们三维空间中的行星轨道是稳定的。根据牛顿运动定律，重力与距离的二次幂成反比，惯性离心力和重力向心力只能实现平衡和稳定（更准确地说，行星轨道是椭圆的）。然而，在高维空间中，尽管惯性离心力定律保持不变，但向心万有引力定律发生了变化。高维引力场的强度不再与距离的二次幂成反比，而是与距离的三次（或更高）幂成反比。因此，向心力和离心力之间的平衡从三维空间的稳定平衡转变为高维空间的不稳定平衡。因此，在高于三维的空间中，不存在稳定的行星轨道，甚至不存在稳定的原子结构。
很容易理解，在低于三维的空间中没有复杂的结构。例如，为了使阿米巴的进食口和排泄口不在同一位置，二维阿米巴必须被肠道分成两个不相连的半部分，因此它不是一个整体。因此，即使存在高维空间，也必须对宏观三维空间进行压缩。这在弦理论中不是一个小问题。为什么大爆炸只扩展了三个维度，而其他七个维度保持紧凑而没有扩展，这也是一个很大的谜。