空間非你所想象

赤緯

在古羅馬時(shí)期，有人問思想家圣·奧古斯丁時(shí)間是什么，他回答說：“你不問我，我本來很清楚地知道它是什么，你問我，我倒覺得茫然了?！?/p>

空間也是這樣。

空間是什么？這聽起來像是一個(gè)簡單的問題。但是如果你認(rèn)真地審視這個(gè)問題，會(huì)發(fā)現(xiàn)你很難找到一個(gè)清晰的答案。下面，我們就來詳細(xì)地探討一下。

空間，它是什么？

一種觀點(diǎn)認(rèn)為，空間就是空虛，一個(gè)空著的地方，是宇宙中各種事情發(fā)生的舞臺(tái)，不需要任何物質(zhì)就可以存在，所以它可以無限地延伸下去。例如，想象你在宇宙中不斷前行，直到某個(gè)地方你發(fā)現(xiàn)除了你以外，沒有任何物質(zhì)。此時(shí)，你面對的就是一片純粹的空間。

另一種觀點(diǎn)認(rèn)為，空間是一種物質(zhì)之間的關(guān)系，就像“林間有塊空地”、“宇宙中有空洞”，都是指具體物質(zhì)之間的狀態(tài)。因?yàn)闆]有物質(zhì)，就沒有物質(zhì)之間的關(guān)系，于是就沒有空間。

那么，哪個(gè)觀點(diǎn)是對的？

事實(shí)證明，空間都不是這些。我們之所以這樣說，是因?yàn)榭臻g可以做出許多違背我們常識(shí)的事情。比如，我們觀察到空間可以彎曲、膨脹，以及產(chǎn)生漣漪。如果空間是一個(gè)空虛，那么它就不能被彎曲或膨脹。如果空間只是衡量物質(zhì)之間的關(guān)系，那么關(guān)系本身怎么會(huì)發(fā)生彎曲或膨脹呢？

之所以會(huì)出現(xiàn)這種問題，原因是大多數(shù)人在想到空間時(shí)，腦海中產(chǎn)生的是一種我們?nèi)粘Ｉ钪幸延械目盏挠^念。但根據(jù)愛因斯坦提出的廣義相對論，我們必須放棄空間是空的概念，而接受它是一種實(shí)體的事實(shí)。

空間果凍，你在里面游動(dòng)

根據(jù)廣義相對論，為了更直觀一些，我們把空間比喻成一團(tuán)巨大的果凍。這個(gè)空間果凍能做什么？事實(shí)證明，它可以做很多奇怪的事情。

首先， 空間是可以膨脹的。事實(shí)上，我們已經(jīng)看到了宇宙的空間在膨脹——遙遠(yuǎn)的星系都在遠(yuǎn)離我們。我們還認(rèn)為，早期宇宙的空間還曾發(fā)生過劇烈的膨脹，宇宙在10的幾十次方分之1秒的瞬間便增大了好幾十個(gè)數(shù)量級。這就是宇宙的暴脹。

我們還知道空間可以彎曲，就像果凍可以變形一樣。廣義相對論告訴我們，有質(zhì)量的物體會(huì)使周圍的空間發(fā)生彎曲，而引力就是空間彎曲的體現(xiàn)。

空間發(fā)生彎曲時(shí)，里面的物體不再如最初那樣移動(dòng)。拋出的棒球不會(huì)沿著直線移動(dòng)，而會(huì)因空間的彎曲沿著拋物線運(yùn)動(dòng)。如果棒球經(jīng)過某些大質(zhì)量物體附近時(shí)，它運(yùn)動(dòng)的路徑不僅會(huì)發(fā)生彎曲，甚至可能會(huì)繞著這個(gè)物體轉(zhuǎn)，就像月球繞著地球運(yùn)行一樣。

天文學(xué)家早已觀測到，光線在太陽或暗物質(zhì)等天體的附近穿過時(shí)，因引力的作用會(huì)產(chǎn)生彎曲。如果引力只是物體之間的作用力，而不是空間的彎曲，那么它就不能拉動(dòng)沒有質(zhì)量的光子。唯一能解釋光線發(fā)生彎曲的辦法，是空間本身發(fā)生了彎曲。

最后，我們還知道空間可以產(chǎn)生漣漪，這就是引力波。你可以把這些引力波想象成一波空間的拉伸和壓縮。如果你突然造成空間的一種扭曲，這種扭曲就會(huì)像聲波或水波一樣，向外傳播出去，就像把果凍碰一下，它會(huì)波動(dòng)一樣。

在2015年9月，我們首次探測到了引力波。在宇宙的某個(gè)地方，兩個(gè)黑洞在互相旋轉(zhuǎn)時(shí)彼此接近，并最終合并在一起，這個(gè)過程中，它們會(huì)向外輻射出較強(qiáng)的引力波。借助美國的激光干涉引力波天文臺(tái)，我們最終在地球上探測到這些空間的漣漪。

空間果凍的問題

總之，空間就是一種具有物理屬性的實(shí)體。不過，你可能會(huì)想說，我們以前稱之為空間的東西現(xiàn)在應(yīng)該被稱為空間果凍，而這個(gè)空間果凍必須坐落于某種區(qū)域內(nèi)，我們現(xiàn)在可以把這種區(qū)域稱為空間。但是物理學(xué)家卻認(rèn)為，空間果凍不需要坐落于任何區(qū)域之內(nèi)。此外，空間的彎曲，不是空間相對于外部某個(gè)東西發(fā)生了彎曲，而是它相對于自身發(fā)生了彎曲，是空間各個(gè)部分之間的關(guān)系發(fā)生了改變。

但是，我們說空間不需要坐落于任何區(qū)域之內(nèi)，并不意味著它就沒有坐落于某個(gè)區(qū)域之內(nèi)。也許我們所說的空間，實(shí)際上是處于在更大的“超空間”里。但事實(shí)如何，還無人知曉。

有沒有可能，宇宙的某個(gè)部分沒有空間？這些問題很難回答清楚，因?yàn)槲覀兯械奈锢矶啥技僭O(shè)空間是存在的，那么什么樣的定律可以在空間不存在的情況下運(yùn)行呢？我們完全不知道。

空間是平坦的嗎？

整個(gè)空間是平的還是彎曲的？如果是彎曲的，它是怎樣彎曲的？

這些問題對我們宇宙的結(jié)構(gòu)有著決定性的影響，但解釋起來非常困難。不過，我可以采用一種形象化的方法，那就是假裝我們生活在一個(gè)二維世界里，就像被困在一張紙上一樣。

如果我們生活的紙是完全平直的，我們說空間是平的，其曲率為零。

如果紙發(fā)生了彎曲，則有兩種情況。它可以向著一個(gè)方向彎曲，這種彎曲具有正的曲率；或者，它可以向著多個(gè)不同方向彎曲，像馬鞍或薯片那樣，這種彎曲具有負(fù)的曲率。

如果空間在任何地方都是平的，那就意味著空間可能會(huì)無限地延伸下去。你往一個(gè)方向走，你可以一直走下去。但如果我們發(fā)現(xiàn)空間在任何地方都有一個(gè)正曲率，那么只有在一種情況下才能讓我們一直走下去——空間是球形或橢球型的情況，比如一個(gè)土豆的表面。如果我們都生活在一個(gè)相當(dāng)于土豆表面的三維空間里，那么朝一個(gè)方向走下去，你可能會(huì)從一個(gè)相反方向回到原來的位置上！這個(gè)信息很有用，例如，你可以借此做個(gè)惡作劇。

但天文學(xué)觀測表明，我們宇宙的空間看起來是“非常平坦的”。科學(xué)家是通過兩種方法計(jì)算出宇宙空間曲率的。

一個(gè)方法是測量三角形。事實(shí)上，彎曲空間中的三角形內(nèi)角之和不等于180度。正曲率空間中的三角形角之和大于180度，負(fù)曲率的要小于180度?？茖W(xué)家通過觀察宇宙各個(gè)時(shí)期的圖像，并研究圖像中不同點(diǎn)之間的空間關(guān)系，發(fā)現(xiàn)我們宇宙中的三角形內(nèi)角之和基本上等于180度，所以說我們的空間是平坦的。

另一種方式是通過觀察能引起空間彎曲的東西——宇宙中所有的能量和物質(zhì)的密度。根據(jù)廣義相對論，在一個(gè)膨脹的宇宙中，如果宇宙的密度接近某個(gè)臨界值時(shí)，空間就是平坦的；如果大于這個(gè)臨界值時(shí)，空間就會(huì)具有正的曲率，能量和物質(zhì)可戰(zhàn)勝宇宙膨脹的趨勢，宇宙最終會(huì)停止膨脹并開始坍縮；如果小于這個(gè)臨界值時(shí)，空間就會(huì)具有負(fù)的曲率，宇宙會(huì)永遠(yuǎn)地膨脹下去。事實(shí)證明，我們測到的宇宙的密度，正好能讓我們的空間保持平坦。

不過請不要對生活在一個(gè)平坦宇宙中而感到失望，因?yàn)閾?jù)我們所知，我們生活在一個(gè)平坦的宇宙中是一個(gè)天大的巧合，因?yàn)橛钪娴拿芏戎灰l(fā)生一點(diǎn)點(diǎn)的改變，宇宙就會(huì)不再平坦。觀測顯示，我們宇宙的密度為每立方米空間里平均有5個(gè)氫原子。天文學(xué)家推算，只要密度變?yōu)槊苛⒎矫卓臻g里平均有6個(gè)或者4個(gè)的話，那種我們的宇宙就會(huì)不再平坦了。

我們的宇宙是怎么保持平坦的呢？為什么會(huì)這樣的？這是關(guān)于空間的一個(gè)最大謎團(tuán)之一。

空間有沒有邊界？

你可能會(huì)認(rèn)為，既然我們的空間是平坦的，而不是像土豆或馬鞍（或馬鞍上的土豆）那樣，那就意味著它必須永遠(yuǎn)繼續(xù)這樣延伸下去，對吧？

這可不一定！空間可以是平坦的，也可以是無限的?；蛘?，它可以是平坦的，但有一條邊。實(shí)際上，沒有任何理論告訴我們空間不許擁有邊界。也許，我們的三維空間也有一個(gè)邊界，在它的邊緣會(huì)有一些奇怪的幾何性質(zhì)。

更有趣的可能是，空間是平坦的，而且邊界還能“首尾相接”。這就像你在玩某些視頻游戲（如吃豆人游戲）的時(shí)候，如果你超越屏幕的一個(gè)邊界，你會(huì)在另一邊界上出現(xiàn)?？臻g也許能夠以類似這種方式與自身連接。

那么這是怎么發(fā)生的呢？也許蟲洞能給我們一些啟示。蟲洞是廣義相對論預(yù)言的一種時(shí)空隧道，兩個(gè)相距遙遠(yuǎn)的不同的點(diǎn)可以借助蟲洞連接起來。如果空間的邊界都以相似的方式連接在一起，也許就能產(chǎn)生“首尾相接”的效果。

把空間量子化

空間究竟是由什么構(gòu)成的？空間是由許多微小的結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成的，就像電視屏幕上的像素那樣？或者，空間是無限光滑，你可以無限地放大下去，但它始終會(huì)保持著連續(xù)光滑的結(jié)構(gòu)？

無限光滑的空間對我們來說似乎更合理一些。畢竟，我們不是像視頻游戲角色在屏幕上移動(dòng)時(shí)那樣，一個(gè)像素地一個(gè)像素地移動(dòng)的。

不過，古代的科學(xué)家也曾認(rèn)為空氣是連續(xù)的，然而事實(shí)上，空氣是由微小的離散分子組成的。類似地，空間也可能是由微小的離散結(jié)構(gòu)組成的。而且，考慮到我們現(xiàn)在對宇宙的理解，空間更有可能是由許多微小的結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成的，即空間可以是量子化的。因?yàn)槲覀冎榔渌氖挛锒际橇孔踊摹Ｎ镔|(zhì)是量子化的，能量是量子化的，力是量子化的。量子力學(xué)還認(rèn)為，存在著一種最小可測長度，叫做普朗克長度，大約為10-35米。所以，空間量子化是很有道理的。

如果空間是量子化的，那當(dāng)我們穿過空間的時(shí)候，我們實(shí)際上是從一個(gè)位置跨過一小段距離跳到另一個(gè)位置上。一些物理學(xué)家還推測，根據(jù)這個(gè)量子化的思路，空間其實(shí)是這些節(jié)點(diǎn)（空間量子，即空間的最小單位）連接起來的一種網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)表示一個(gè)位置，節(jié)點(diǎn)之間的連接表示這些位置之間的關(guān)系，即誰挨著誰。

也許，宇宙中的所有粒子可能只是這些節(jié)點(diǎn)的某種振動(dòng)模式。如果你了解相關(guān)的量子場理論的話，那么這個(gè)觀點(diǎn)聽起來就不那么瘋狂。事實(shí)上，宇宙中充滿了各種場，比如電子場、光子場、希格斯場等，而我們所認(rèn)識(shí)的每一個(gè)粒子只不過是這些場的一個(gè)局域的小振動(dòng)。

一些人還懷疑，節(jié)點(diǎn)之間的連接其實(shí)是由量子糾纏產(chǎn)生的，但這個(gè)想法只是一群喜歡熬夜奮戰(zhàn)的理論學(xué)家所做的一個(gè)數(shù)學(xué)推測。

空間的更深一層奧秘

如果空間是一種物理實(shí)體，而不是背景或框架，有一些動(dòng)態(tài)的特性，比如可以彎曲，可產(chǎn)生漣漪，甚至可以量子化，那么我們就得想：空間還能做什么？

像空氣一樣，也許它有不同的狀態(tài)和階段。在極端的條件下，也許它可以以意想不到的方式來組合出自己，或者有更意想不到的特性，就像空氣在氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)下有不同表現(xiàn)一樣。也許我們所知的空間只是一種罕見形式的空間，宇宙中還有其他類型的空間，只是等著我們來弄清楚如何創(chuàng)造和操縱它們。

為了了解空間是什么以及它能做什么，我們最好的辦法是，仔細(xì)觀察宇宙中最為極端的空間形變——黑洞。如果我們能探測到黑洞附近的空間，也許能看到一些關(guān)于空間最為奇怪的狀態(tài)。

令人興奮的是，我們比以往任何時(shí)候都更容易探測到黑洞。過去，我們完全察覺不到在宇宙中穿行的引力波，而現(xiàn)在，我們已經(jīng)有能力傾聽到它，并借此能了解到黑洞引發(fā)的太空暴力事件。也許在不久的將來，我們會(huì)借此揭示出更多關(guān)于空間的奧秘。