我们身处三维空间，这可能并非偶然。为什么空间的维度是3而不是其他数字？这个问题自古希腊就一直困扰着哲学家和科学家
为什么空间的维度是3而不是其他数字？这个问题自古希腊就一直困扰着哲学家和科学家。时空总的维度是4，或（3+1），其中时间是第4维度。众所周知，时间维度与热力学第二定律有关：时间的方向不会改变，因为在像宇宙这样的封闭的系统中，熵（即无序的程度）永远不会降低。
在一篇最近发表在EPL上的论文（论文基本信息见文章末尾）中，研究人员提出，热力学或许也能解释空间的维度为什么是3。
“科学和哲学领域的一些研究人员通过证明合适的维度可以维持生命、稳定性和复杂性，已经解决了时空是（3+1）维的问题。”论文的合作者、墨西哥国立理工学院、西班牙萨拉曼卡大学的Julian Gonzalez-Ayala说。
“我们工作的最重要的意义是，根据宇宙维度的物理模型以及合理的时空图景做出了推论。这是空间维度‘3’首次作为最优化的物理量出现。”
▲亥姆霍兹自由能密度（f）在温度T=0.93时达到最大值（s和u分别代表熵密度和内能密度）。
▲在T=0.93以下，3维不能转变成其他维度。
科学家提出，空间维度为3是因为一个称为“亥姆霍兹自由能密度”的热力学量。在充满辐射的宇宙中，这个密度可以看做是充满空间的一种压力，这种压力取决于宇宙的温度和维度。研究人员证明，大爆炸后随着宇宙温度开始降低，在宇宙的年龄只有几分之一秒并且维度约等于3的时候，亥姆霍兹密度在极高的温度中达到了第一个最大值。
文中的关键思想是，3维空间在亥姆霍兹密度到达第一个最大值的时候被“冻结”，即空间不能由3维变成其他维度。
这是因为热力学第二定律只允许空间在温度高于临界点、而非低于临界点时向更高维度转变。由于宇宙温度不断降低，目前的温度远低于从3维向更高维度转变的临界温度。通过这种方法，研究人员解释道，空间维度有些类似物质的相，向不同维度转变就类似相变（如冰的融化），只有在足够高的温度中才能发生。
“在宇宙早期的冷却过程中，在第一个临界温度之后，封闭系统中的熵增原理阻止了某些维度变化。”研究人员解释道。
宇宙的年龄只有几分之一秒时，温度比临界温度高。该论文依然为这时候可能出现的更高维度留有余地。额外维度出现在许多宇宙学模型中，最著名的就是弦论。这项新的研究可以解释，为什么在一些模型中额外维度出现收缩（或保持原来的大小，即非常小），而3维空间则继续扩展到整个可观测的宇宙。
未来，研究人员会对模型进行优化，将宇宙极早时期（“普朗克时期”）可能出现的量子效应纳入模型。另外，更加完善的模型的结果或许可以为其他宇宙学模型（如量子引力）的研究人员提供思路。
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