为什么我们的空间是三维的

　　作者：章德海（中国科学院物理科学学院教授）

　　我们生活的空间是三维的，三维空间对我们的生活产生了多大的影响？

　　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。

　　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。

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