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原作：松原隆彥
插圖：Crayon Company
編譯：王雨陽
校譯：劉思慧
美編：張一帆
文章來源:《月刊天文指南》2020年2月號「創造宇宙的法則」欄目（第18回）
「
寫在前面：
大家一定聽說過「二次元」這個詞，但你真的知道什麼是「次元」嗎？「二」這個數字又有什麼特殊的地方呢？「次元」的另一個說法是「維度」，它們對應的是同一個物理概念，本文將從正經科普角度解答你的疑惑！
——譯者
空間與時間的「次元」——3與1
作者簡介
松原隆彥，高能加速器研究機構基本粒子與原子核研究所教授，理學博士。京都大學理學部畢業、廣島大學博士。曾在東京大學、約翰斯·霍普金斯大學、名古屋大學等高校任職。主要研究方向為宇宙學，曾獲2012年度日本天文學會第17回林忠四郎獎。撰有《現代宇宙學》（東京大學出版會）、《宇宙有「外側」嗎？》（光文社新書）、《宇宙的誕生與終焉》（SB Creative）等多本著作。
(圖源：tmcosmos)
什麼是「次元」？
空間與時間的「次元」存在得如此理所當然，我們在平時的生活中甚至對此毫無察覺。作者第一次聽說「次元」這個詞，大概是動畫《魯邦三世》中出場的次元大介，直至今日，一說起「次元」，作者腦海中首先浮現出來的還是一個滿臉鬍子，戴著帽子的神射手形象。據說《魯邦三世》的作者Monkey Punch給他起名「次元」也是因為喜歡這個詞。
譯者圖註：你是幾次元？（圖片來源：網絡）
我們這裡要說的「次元」當然不是人名，而是描述一個位置最少需要的數字個數。比方說在一根筆直的數軸上，只要給出一個數字就可以確定一個對應的位置。因此，數軸就是「一次元」，也叫「一維」。一維的空間並不一定要像數軸一樣是直的。如果我們想像一根蜿蜒曲折的絲線，在這根絲線上指定位置也只需要一個數字。你也可以把它想成是一根彎曲的數軸。
與之類似，我們在學校學過平面上的空間可以用x軸和y軸表示，也就是兩個數字可以確定一個唯一的位置。因此平面空間就是「二次元」，也叫「二維」。這個面也不一定要是完全平坦的，曲面上的點也可以僅用兩個數字表示。比如在地球表面上，我們可以根據經度和緯度這兩個數字來確定位置。地表雖然凹凸不平，但也是二維空間。
空間的維度一共有三個，即「三次元」或「三維」。比如要表示地球上一個特定的地方，除了經緯度還需要給出高度，一共是三個數字。而時間的維度是一維。要表示某一個時刻只需要給出一個數字，即某個基準點之後經過了多少秒。
空間和時間存在得天經地義，日常生活中我們幾乎不會對此感到奇怪，但為什麼空間和時間的維度分別是三維和一維？二維空間、四維空間、二維時間可以存在嗎？
如果空間不是「三次元」
首先讓我們來討論空間的維度。如果空間的維度非常小的話，可以看作是「零次元」或「零維」。零維空間只有唯一的一個位置，表示位置不需要指定任何數字。零維空間裡，唯一的點就是整個世界。很明顯，人類無法在零維空間生存。點沒有任何內部結構，也無法在其中移動。
接下來是「一次元」——一維空間，也就是線。大家可以和之前一樣想像一根數軸。只需要一個數字就可以確定位置。一維空間也沒有人類生存的餘地。一維空間裡可以存在粒子，但也就僅此而已了。粒子可以左右移動，相互之間也可以有力的相互作用，不過這些都過於單一，不足以產生能夠自我複製的生命體。萬一一維空間的世界裡真的存在像人類一樣能夠思考的生命，它們也只能左右移動，只能見到自己兩側的人，碰不到其他人。無法「擦肩而過」的粒子生命們只能一輩子待在同樣的兩個人中間，這是多麼孤單的世界啊。
之後讓我們來考慮「二次元」——二維空間，即為面。平面上多少還有些自由活動的空間。然而二維對於生命來說依然過於簡略。人類的大腦神經網絡必須在平面中連結而無法相互交叉。無法交叉的神經網絡會「短路」，也無法處理複雜的信息。而且在二維空間中不存在如血管這樣的筒狀結構。雖然分開的兩根曲線構成的管狀結構可以存在，但它沒有粗細、也不能交叉。如果有一種活在二維空間的生物，連接口腔與肛門的部分會直接將其一分為二。要避免這種情況就只能讓口腔和肛門演化為同一個，太髒了我可不要 o(￣ヘ￣o＃)。
水母：我不是我沒有別瞎說啊（圖片來源：網絡）
在三維空間裡神經網絡和管狀結構就可以交叉了。生命能夠處理複雜的信息，血管也能夠縱橫交錯並延伸至身體的各個角落。所以為了達到複雜生命存續所需的基本要求，生命誕生所需的世界至少需要三維空間。
四維或更高維空間同樣可以形成足夠複雜的神經網絡和管狀結構，但也多了其他方面的缺點，比如原子無法穩定存在【注1】。原子的穩定必須要原子核周圍的電子能夠穩定，但在四維或更高維空間中該穩定性無法成立。沒有穩定的原子，就沒有原子構成的我們。另一個缺點是地球無法穩定地繞太陽公轉。空間不是三維的話萬有引力的平方反比律也不再成立。在「四次元」或是「五次元」萬有引力遵循立方反比律或四次方反比律【注2】。遵循這些規律的萬有引力會導致地球的圓形公轉軌道非常不穩定。其他行星的引力只要稍微對地球有所影響，地球公轉軌道就會大幅變化，要麼落入太陽、要麼飛出太陽系。這樣的地球也無法演化出生命。
由以上的討論我們可以發現，「三次元」是我們人類生存所需剛剛好的維度數。其他維度數的空間雖然可能存在，但大概是無法演化出生命的。
注釋
【注1】
J.D. Barrow and F. J. Tipler 「The Anthropic Cosmological Principle」, Oxford University Press (1986). 同時也有研究表明，強行修正物理法則可以使得原子在四維或更高維空間穩定存在：F. Burgbacher, C. Lammerzahl and A. Macias, J. Math. Phys. 40, 625 (1999).
【注2】
一般情況下萬有引力在N維空間中與距離成(N-1)次方反比。
「
寫在最後：
你學會了嗎？歡迎在下方評論區和我們分享你理解的「二次元」！下一期我們將繼續為大家帶來在「二次元」的時間裡會發生什麼，還有空間和時間為什么正好是三維和一維的探討。下周四我們不見不散~
——譯者
腦子：我會了！（圖片來源：網絡）
責任編輯：馬玥
牧夫新媒體編輯部
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