物理学家利用量子引力模型模拟微观几何拼图，发现随机组合的几何碎片有高达85%的概率自发演化出3维空间和1维时间。
100多年前，Albert Einstein的数学老师Hermann Minkowski提出了时空融合的概念，将我们生存的世界描述为由3维空间和1维时间交织成的平坦时空。随后，Albert Einstein在此基础上引入引力，开创了弯曲时空的广义相对论。然而，一个根本性的谜团始终困扰着物理学界：为什么宇宙偏偏选择了3维空间和1维时间的组合，而不是其他维度？
一项全新的数学理论为这一难题提供了意想不到的解答。研究人员认为，这可能源于构成时空的最微观不可见基块。就像用LEGO或K'NEX积木搭建复杂结构一样，宇宙的时空架构也是由基础几何单元拼接而成的。
为了探究这一过程，物理学家构建了一个简化的量子引力模型。在这个模型中，无限微小的宇宙被简化为由四维单形组成的微观网络。这种四维几何体由三维四面体构成，三维四面体由二维三角形构成，二维三角形由一维边线构成，最终汇聚于零维顶点。
在模拟实验中，研究人员将这些几何基块的边长设定为随机值，最小尺度设定为10的负35次方米的普朗克长度。在这个极微小的尺度下，连续平滑的时空表现出锯齿状的离散结构。而来自大型强子对撞机以及LIGO及Virgo引力波网络的观测数据，则帮助确定了这种锯齿状结构可能存在的尺度上限。这意味着，即使时空真的存在微观不平滑，它也远小于原子核的尺寸，在日常宏观世界中完全无法察觉。
为了验证不同的时空拓扑环境，模拟涵盖了有边界的四维球体、循环自闭合的无边界四维超球体以及完全散落的碎片组。研究人员将几何边长分别设定为代表空间距离的实数、代表时间间隔的虚数，或是两者的混合组合，并进行了超过200亿次计算模拟。
实验结果令人惊叹。当研究人员将大量随机长度的几何碎片混合，剔除所有复杂的物理定律与力场，仅仅依靠纯粹的几何拼合规则时，这些碎片在约85%的概率下会自动组装出具有3维空间和1维时间的时空结构。
除了这种与现实相符的结构之外，模拟中还出现了少量奇特的宇宙形态。大约6%的演化结果形成了拥有4维空间而没有时间维度的冻结宇宙，约8%的结果演化出了2维空间和2维时间的双时间宇宙。
尤为关键的发现在于，只要将基块边长设定为空间型属性，就足以自发衍生出时间的维度。不同长度的空间边长在几何上拼接时，必须通过产生一个时间方向才能严丝合缝地拟合在一起。同时，无论初始时空的整体拓扑形态是球体还是散乱碎片，最终演化出的时空维度分布几乎没有差异，这表明时空维度的划分可能是在局部尺度上决定的。
这一研究表明，我们所感知的时空维度可能正是量子几何在微观层面随机演化出的必然产物，为解释宇宙的结构起源开启了全新的视线。
原文：https://www.sciencealert.com/a-strange-new-theory-helps-explain-why-our-universe-has-only-one-dimension-of-time