4． 物理空间的性质

物理空间的性质是由客观存在的物质的结构、物质形态及其相互作用的方式决定的。

物理空间具有三维性和连续性的特征

4．1 物理空间是三维的

“维”的定义最早是欧几里德在其《几何原本》一书中给出的：“立体的截口是‘面’，面的截口是‘线’，线的截口是‘点’”。 17世纪笛卡尔对“维”下的定义是：“确定位置所必需的数值的个数”。发展到现代的定义：“维是用来描述空间或图形广延性或者复杂程度的一个概念” 。这些定义都是数学的、几何的。但物理空间不是几何的、数学的，也不具有几何性质。物理学中也用“维”这个词，不过是借用而已。物理学中“维”的概念，是在物理空间中用来描述物质广延性客观展现的抽象概念。它认为具有体积广延性的物质分布是三维的；具有面积广延性的物质分布是二维的；具有长度广延性的物质分布是一维的。由于物理学中没有“点”物质存在，更谈不上“点”上的物质分布，因此没有“零”维。至于物理学中的“质点”是在一定条件下的理想化模型。当我们进入“点”内空间的研究时，这样的假设就不适用了。顺便指出，现在很多人使用“维”的概念，实际上是指物体或质点的自由度数，用它来描述物体的复杂运动状态，是指用以描述物体状态参数的数目。比如有人在描述空间运动的一个物体时，除用三个坐标确定它的质心外，又引入了物体的旋转轴线和旋转方向以及物体某时刻所处的“相位”，这些都是指物体的运动自由度，并非认为物理空间有什么“十维”“五维”。

物理空间为什么是三维的，布切尔（W.Buchal）、弗里曼(M.Freeman)、巴洛(J.Brarrow)等人都作过研究，结论是：物理空间是三维的。

1） 物理空间的上、下、左、右、前、后、中的三维性质来源于物质的广延性。由于物理空间中充满了物质——实物和新以太，因此没有虚空或真空存在。

2） 生物拓扑学和生物生存的需要。由于生物需要消化道贯通全身或者需要维管柱输送水份、无机盐以及有机物以维持生存，这都只有在三维空间中才能办到。如果空间是二维的，生物就会分成两半而无法生存。对于任何较高级的生命体系来讲，其神经纤维通道只能立体交叉而不能交接在一起，否则就会引起相互干扰，造成混乱（即“神经短路”），这也只能在三维空间中实现。

3） 当空间维数大于3时，行星的轨道不可能稳定。由于引力势和静电势都满足以下微分方程： ——（1）

（式中n为维数， V为势函数， 为物质密度， K为常数）（1）式解为：

——（2）

（式中c为常数， r是到埸中任意点的位置）。不失一般性，我们讨论行星椭圆轨道。设近日点为，远日点为，行星质量为m， 为角速度，p为线动量。在有心力埸中有角动量守恒： 。由于在近日点和远日点的引力势为： 又近日点的动能 ，则有： 和 ，由机械能守恒故： ——（3）

显然当n=3 时（3）式是成立的。下面我们来证明当 时，上式不成立，即行星的椭园轨道不成立。

行星所受的向心力 在园形轨道上向心力为 。显然行星在近日点处的向心力必小于，因此行星将向外运动；而在远日点则刚好相反。这样下面的两个不等式成立： 和 代入（3）式有：

即： ——（4）

由（4）式可见，当n>4 时，由于 ，（4）式左边会大于右边，故不等式不成立，当n=4 时，左右均为零，不等式也不成立。

4） 当空间的维数大于3时，不可能有稳定的原子存在

原子中电子的平均能量 ，如果角动量量子化近似取最小值

及

则： ——（5）

当dE/dr=0 时， E取极小值，即稳定值，这时的r值由下式算出：

，即： ——（6）

由（6）式可见，当n=3时，，有解。此时如果 ，由（5）式可见，其右边第一项增大比第二项快，E恒为正值，故是稳定解。但当 时，如果 r变小，由于第二项负得更多，没有极小值，电子将直接落入核内，原子崩溃。从（6）式还可见，当n=4 时， dE/dr=0变得与 r无关。但仍有 如果代入电子的相关参数后我们会发现E<0 （即 ），没有正值，说明此时稳定的原子将是不可能的。

5） 要无畸变和无混响的传递信号空间必须是三维

用电磁波或声波传递信号，必不可少的条件是接收到的信号要无畸变和无混响。如果接收器接收到的信号 u(t）与发射源发出的信号 不一样，这就是信号发生了畸变；如果接收器在同一时刻接收到信号源在不同时刻发出的信号，这就出现了混响现象。

柯朗（R.Courant）和希尔伯特(D.Hilbert)合写的《数学物理方法》一书中，应用惠更斯原理和微分方程的理论证明了无混响辐射只有在空间具有非偶数的维数时才有可能，而同时又要满足无畸变，则空间的维数n必须小于5，否则虽传播无混响但接收到的信号不是正比于源信号 ，而是正比于等等，从而必将引起畸变。因此只有当n=3 时，信号才能无混响又无畸变的符合接收条件。

综上所述物理空间必定是三维的，这既是我们的信仰又是现实物质世界稳定性的要求，既是生命存在的需要又是意识、信息得以交换、处理的基础，而且现实世界的客观存在也充分证明了这一点。

目前有的科学家以及有的科学杂志鼓噪什么“有翘曲的第五维存在”（即有第四维空间存在），M（膜）理论为了统一四种力，提出必须把现实空间的维数提高到十维，加上一维时间即十一维时空。这不仅让物理学完全数学化，走入“物理几何化空间模型”的深渊，而且完全违背了现实物理空间是三维的基本事实。显然，这些“理论”是注定要失败的。对于空间有第四维的梦话，爱因斯坦早在1919年就说过：“这个宇宙哪里有什么第五维”。

4．2 物理空间是连续和不连续的统一

任何物质形态都是连续性和不连续性的统一。因此，作为物质广延展现的物理空间也就具有连续和不连续统一的特征表现。

首先，对于物理空间中存在的五个层次结构来讲，新以太介质对于它们是连续的，宇宙中没有虚空存在，甚至在实物内部也是这样。新以太作为连续的介质形态参加各层次中的各种相互作用，并有各种不同的表现，然而新以太的个体和各层次的基元单位又都是不连续的，因此，物理空间的构造特征是连续和不连续的统一。

其次，物理空间中的每一个层次都有由其基元单位构成系统的情形。“系统”是指物质一定层次中的基元单位紧密地相互联系；当与外界相互作用时主要表现为系统与系统之间的相互作用，而不仅有两系统的基本单位间的次要的相互作用。每一个层次结构中的系统是相互独立的，即是不连续的，然而由于系统中基元单位间紧密联系且数量的巨大，对系统来讲它们都被视为连续的，比如我们每一个人身上平均都有500~600万亿个细胞，每个细胞又都是相对独立的；每个细胞又是由100~200万亿个分子所构成，而每个分子都是相对独立的；地球上的生物物种已命名的动物物种有约100万种，植物40多万种，微生物10多万种，据专家估计可能还有50多万种生物物种没有命名，这样就有200万种以上的生物物种，按每种物种有10亿个个体计，地球上生物个体至少有2000万亿个，以地球的眼光看这些生物显然它们是连续的；太阳系象地球这样的单独的天体也有1000亿个以上（包括50多万个小行星和1000亿个以上的慧星）；银河系中约有2000亿颗象太阳这样的恒星以及许多由尘埃和气体形成的星云。在我们看来，它们在天空形成了一条连续的河——“银河”。另外，根据我们关于超级银河系的假设，其中有象银河系这样的星系达250亿个以上，因此，无论对于物理空间中存在的每一个层次结构，或者每个层次中的系统来讲，它们既是连续的又是不连续的。

第三，每一个物质层次结构及其中的系统之间的相互作用是连续的，而这种连续性又是由大量的不连续的相互作用持续作用的结果，而且也都是通过新以太这种“连续”的中介媒质来实现的。比如引力、电磁力、强作用力和弱作用力，这些相互作用都具有量子性，即不连续性。可见物理空间中物质的相互作用具有连续和不连续统一的特征。

第四，所有物质层次中的物质的运动和变化也表现为连续和不连续的统一。物质运动状态的变化，不是若干静止状态的总和，象电影胶片那样一张一张的静止画面的总和，而是在每一瞬间物质既处于这个状态而又不处于这个状态，间断与连续的统一，这才成就了物质运动状态的连续变化。物质状态的质的变化也是物质不连续性的表现；而物质系统内部基元单位的相互作用、相互联系的量的变化，又说明物质状态的变化还具有连续性的一面。