为什么空间是三维？

一般说来，物理理论在任何维数都是成立的，没有一种理论只为某些特定的维数而存在，比如量子力学，广义相对论，都是这样的。（虽然物理规律的具体表现会受到时空维数的影响，比如3维空间中牛顿引力与距离的平方成反比，4维空间中与距离的三次方成反比，5维空间中与距离的四次方成反比，等等；又比如，二维空间中存在分数统计，等等）

如果一定要回答为什么我们的时空一定是1+3维，那么最常见的做法是采用人择原理的观点，那就是，如果时空不是1+3维，那么很可能这样的世界不适合生命存在，因此没有人类或其他智慧生命来观察它；我们能看到周围的世界，能提问，那么这件事情本身就选择了这个前提：我们生活在1+3维世界里。也许，1+3维时空是类似人类的智慧生命所能产生的最佳（也许是唯一）状态。

这么想并非是在逃避问题，它确实有一定的合理性。1917年荷兰物理学家埃伦费斯特曾经这样研究过时空维数：n维空间的万有引力反比与距离的（n-1）次方，根据经典力学的规律我们可以知道，在n>3时，行星绕恒星转动的轨道式不稳定的（注：这是经典力学中的Bertrand定理：对所有被束缚的质点，只有当它遵循平方反比或者胡克定律两种形式的有心力时，才能得到闭合轨道），因此恒星系不能稳定地存在，相应地就很难形成可以产生生命的环境；与此类似，在原子中电子是围绕带正电的原子核转动的，库仑力与万有引力类似，因此在高维空间中也没有稳定的“轨道”，也就是在高维空间中不存在稳定的原子结构。电子会因为辐射而掉进原子核里面。原子都不存在了，生命自然也没办法存在。

超弦/M理论可能是唯一对时空维数进行限制的物理理论了。为了理论自身的自洽性,不出现反常,要求玻色弦理论中时空是26维的，在超弦理论中时空是10维的(由于其他一些原因,在M理论中要求时空是11维的)。

为解释为什么观测到的时空是1+3维，与理论不吻合，弦理论家们一般是假设其他维数是高度卷起来的，比如，出于对称性考虑，可以假设这些卷曲的空间有一些特定的性质，比如是卡拉比-丘成桐空间（10维中6维卷曲），或者是G2流形（11维中7维卷曲），做了这些假设后我们能从高维基本理论（弦理论，M理论）计算出低维（1+3）时空中物理量的性质。比如零质量粒子的个数，费米子和标量粒子的耦合常数。

那么，为什么时空以这样卷曲———留下三维空间未卷曲，而不是采用其他方式卷曲？这可能与宇宙的历史有关.

很多人相信，宇宙早期，很可能各个维度都是高度卷曲的高维时空;随着宇宙的膨胀，能量降低，其中一些维数迅速膨胀，另外一些维数则依然保持卷曲，实际上有人试图通过直接计算推导出时空为什么是1+3维的，比如R.H. Brandenberger和C.Vafa用弦气体模型计算过（Nucl.Phys.B316:391,1989），他们认为早期宇宙中的物质是能量很高各种弦，像炽热的气体一样充满整个空间，只有那些能允许弦相互湮灭的时空维数才有机会膨胀，弦是1维的，两个弦相互作用发生湮灭的最高空间是3维，因此，扩展的空间最大的可能性是3。见

http://arxiv.org/abs/hep-th/9406102

此外还有其他一些模型，比如《NewScientist》, 2009-8-29, pp.34，作者采用随机矩阵方法计算了时空的维数，他们认为时空并非是一个均匀的整体，而是由许多极小的片段构成的微元。为此他们把时空分割成一些简单的单形，这些单形以不同的方式粘和在一起，构成整个完全时空(单形是空间中最简单的多面体，是平面几何中三角形这一概念在高维中的自然推广)。量子理论告诉我们宇宙的真实形状应该是所有这些不同的粘和方式的概率叠加，如果加上一些限制条件(比如在这个宇宙中,因果关系要严格满足),可以计算出宇宙的时间是一维的，而空间是精确的三维。

又比如Ruth Durrer的工作

http://arxiv.org/abs/hep-th/0501163

她认为早期宇宙为1+9维的，充满了各种维数的brane，高维brane相对来说更容易相交和碰撞（比如，在3维空间中2维的面比一维的弦相交的机会多得多），碰撞时发生湮灭，变成引力子，计算表明，只有低于或者等于3维的膜才能够存在，其中我们就生活在所残留下来的一种3维膜上，时空维数是1+3维的；