空間的構(gòu)造

段景頤

從“近光速汽車”內(nèi)部看出去，外面的世界如同夢(mèng)境。

進(jìn)入20世紀(jì)后，人類對(duì)空間的認(rèn)識(shí)不斷加深：空間不但可以被扭曲，還能無(wú)中生有。作為宇宙這棟大樓的鋼筋，空間中真的什么都沒有么？實(shí)際上，即便沒有任何天體、塵埃和電磁波的某些星際空間，也不能算“全無(wú)”。越來(lái)越多的觀測(cè)結(jié)果表明，無(wú)論是我們周圍的空間還是接近真空的太空，都是有形的。我們身處其中卻無(wú)法感受，就好像水中游動(dòng)的魚：如果魚不被飛鳥銜住，離開水中，它就永遠(yuǎn)不會(huì)意識(shí)到水的存在。

第一條用理論闡釋“水”的“魚兒”是現(xiàn)代科學(xué)之父艾薩克·牛頓。牛頓認(rèn)為，空間是宇宙萬(wàn)物的舞臺(tái)，是一切事物相互作用的框架。牛頓詮釋的空間是被動(dòng)、絕對(duì)、永恒和不變的，物體不影響空間，空間也不影響物體。牛頓的理論可以完美詮釋從蘋果落下到地球圍繞太陽(yáng)運(yùn)行的萬(wàn)物運(yùn)動(dòng)規(guī)則。這套理論目前在某些領(lǐng)域依然適用，我們今天仍然用它完成包括發(fā)射火箭在內(nèi)的許多工作。19世紀(jì)末電磁學(xué)將科技領(lǐng)入新紀(jì)元，但卻和牛頓的理論體系矛盾。為了維護(hù)牛頓體系，以洛倫茲為代表的一些科學(xué)家開始在這套體系的基礎(chǔ)上進(jìn)行修補(bǔ)。

光速不變悖論

20世紀(jì)初期，一位瑞士專利局的年輕文員提出新理論，動(dòng)搖了牛頓理論。這個(gè)文員名叫阿爾伯特·愛因斯坦。在那個(gè)光電技術(shù)飛速發(fā)展的年代，也許是電燈發(fā)出的光引發(fā)了愛因斯坦對(duì)光本質(zhì)的思考，也讓他發(fā)現(xiàn)了牛頓理論的漏洞。

隨著人類測(cè)量光速越來(lái)越精準(zhǔn)，人們發(fā)現(xiàn)光具有一種非常奇怪的特性：在真空中，光速永遠(yuǎn)是恒定的。不變的光速讓許多科學(xué)家陷入困惑。不過，愛因斯坦看到了這個(gè)問題的本質(zhì)：既然速度是物體單位時(shí)間內(nèi)移動(dòng)的距離，光速恒定說(shuō)明時(shí)間和空間（距離）是可變的。 從“近光速汽車”內(nèi)部看出去，外面的世界如同夢(mèng)境。

空間和時(shí)間的確是變化的。如果有人駕駛著一輛神奇汽車，以0.1倍光速闖紅燈通過路口，而他的違章行為剛好被一臺(tái)能夠清晰捕捉以光速運(yùn)動(dòng)的物體的攝像機(jī)拍下，那么攝像機(jī)拍到的違章車輛看起來(lái)就像是前后被壓縮了一般——駕駛室的長(zhǎng)度被壓縮至數(shù)厘米。如果有人能看見駕駛員手表上的指針，他會(huì)發(fā)現(xiàn)指針運(yùn)行變得異常緩慢;而駕駛員觀察到的會(huì)是以正常速度運(yùn)轉(zhuǎn)的手表。從車內(nèi)看出去，窗外的景象也將變得難以置信，因?yàn)?.1倍光速讓空間發(fā)生了大幅度調(diào)整。所有的一切詭異變化，都是為了保持光速恒定。因此，愛因斯坦將時(shí)間和空間這兩個(gè)原本獨(dú)立的概念融合在一起，形成了“時(shí)空”。

引力扭曲空間

牛頓認(rèn)為引力是一種吸引物體的力。他發(fā)明的萬(wàn)有引力公式能夠精確計(jì)算出引力對(duì)物體的影響。但引力的真面目是什么？地球和月球之間好像有一根無(wú)形的繩索相連，但是每個(gè)人都知道這不是真的，而牛頓沒有做出任何解釋。

牛頓認(rèn)為萬(wàn)物之間都有引力，就好像是一條無(wú)形繩索。實(shí)際上，引力是被物質(zhì)扭曲的時(shí)空，月球繞地球旋轉(zhuǎn)的原因也在于此。

1915年，愛因斯坦在一次學(xué)院發(fā)言上首次提出：引力不是牛頓的無(wú)形繩索，而是被扭曲的時(shí)空本身，這就是引力的秘密。愛因斯坦在廣義相對(duì)論中指出，物質(zhì)能夠扭曲時(shí)空。在愛因斯坦看來(lái)，時(shí)空像一塊柔軟的布料，在這塊布料上的重物會(huì)在周圍形成凹陷，就像一枚鉛球被放在席夢(mèng)思床墊上形成的凹陷，如果有其他物體進(jìn)入凹陷區(qū)域，就會(huì)順勢(shì)滾向重物，愛因斯坦意識(shí)到，這恰恰就是引力的運(yùn)行機(jī)制——物質(zhì)扭曲時(shí)空，改變空間形狀。月球圍繞地球旋轉(zhuǎn)，不是因?yàn)樗鼈冎g有根看不見的繩子，而是因?yàn)樵虑蛟谘刂厍蛩で目臻g運(yùn)動(dòng)。愛因斯坦讓空間變得更真實(shí)、更柔軟，空間突然有了幾何形狀。

愛因斯坦在廣義相對(duì)論中，預(yù)言宇宙中存在一種非常致密的天體——黑洞。黑洞是巨大質(zhì)量恒星的尸體，能產(chǎn)生非常強(qiáng)的引力場(chǎng)。愛因斯坦通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)的黑洞能夠扭曲并拖拽它周圍的空間。引力真的能扭曲空間？要驗(yàn)證這個(gè)理論，最好的辦法是找到黑洞進(jìn)行觀測(cè)。然而，就算以光速移動(dòng)，從地球到最近的黑洞也需要3000多年，以人類目前的科技是很難接近觀察的。為了驗(yàn)證愛因斯坦的理論，人們需要新的方法。

驗(yàn)證廣義相對(duì)論

20世紀(jì)50年代后期，物理學(xué)家倫納德·希夫開始尋找一種能驗(yàn)證廣義相對(duì)論的方法。1959年，在斯坦福大學(xué)的教職工游泳池里，希夫與另外兩位同事威廉姆·費(fèi)爾班克和鮑勃·卡農(nóng)一起，討論基于磁矩技術(shù)的高精度陀螺儀。通常情況下，陀螺儀的軸線總是指向同一個(gè)方向。如果地球能扭曲空間，那么同處于扭曲空間的高精度陀螺儀的軸線就會(huì)發(fā)生改變;而陀螺儀軸線的偏角是可以被測(cè)量的。這是個(gè)很巧妙的想法，只不過，根據(jù)相對(duì)論公式計(jì)算，地球?qū)τ谥車臻g的扭曲非常微小，要測(cè)量這個(gè)微小變化，相當(dāng)于從100千米以外測(cè)量一枚硬幣的直徑，陀螺本身的指向誤差都遠(yuǎn)超過這個(gè)數(shù)值。有幸高精度陀螺儀的問世大大降低了誤差，能夠讓科學(xué)家測(cè)量到空間的扭曲量。

經(jīng)過兩年的攻堅(jiān)，三人終于想出一種測(cè)量方法：將四臺(tái)獨(dú)立的超高精度磁矩陀螺儀置于接近絕對(duì)零度的低溫超導(dǎo)容器內(nèi)，并將其裝載在衛(wèi)星上。在一臺(tái)參考望遠(yuǎn)鏡的幫助下，衛(wèi)星和四臺(tái)陀螺儀的自轉(zhuǎn)軸都對(duì)準(zhǔn)飛馬座雙星HR8703這顆易于觀測(cè)的引導(dǎo)星。如果引力果真能夠扭曲空間，陀螺儀的自轉(zhuǎn)軸就會(huì)變化。

1962年，他們成功地向美國(guó)國(guó)家航空航天局申請(qǐng)到了一筆100萬(wàn)美元的研究經(jīng)費(fèi)，“引力探測(cè)B計(jì)劃”正式啟動(dòng)。研究小組的成員原以為3年內(nèi)就可以發(fā)射衛(wèi)星，但事實(shí)證明他們過于樂觀——引力探測(cè)B計(jì)劃成為美國(guó)航天局史上最漫長(zhǎng)的“馬拉松”計(jì)劃。結(jié)果，為了實(shí)現(xiàn)最終的設(shè)想，他們花費(fèi)了幾十年的時(shí)間。在衛(wèi)星發(fā)射前，他們還需要解決許多技術(shù)和理論難題，例如制造高精度的陀螺儀，其轉(zhuǎn)子將是地球上最完美的球體——其任何方向的誤差不允許超過40個(gè)原子直徑。

42年后，這個(gè)總投入上億美元，9次險(xiǎn)些被終止的“引力探測(cè)B計(jì)劃”終于迎來(lái)了發(fā)射升空的一天。1959年在游泳池討論的三人組中，只有一個(gè)人活著見到了這一幕。

在接下來(lái)的一年時(shí)間，引力探測(cè)器B圍繞地球飛行，研究小組嚴(yán)密注視衛(wèi)星全程運(yùn)行，努力尋找地球引力導(dǎo)致空間扭曲的證據(jù)。終于，數(shù)據(jù)開始發(fā)生緩慢地變化，然而還是出現(xiàn)了一個(gè)問題，陀螺儀正在緩慢地發(fā)生微小的錯(cuò)位。

這一變化很可能會(huì)導(dǎo)致重要數(shù)據(jù)丟失，隨著研究經(jīng)費(fèi)日益緊張，眼看近半個(gè)世紀(jì)的努力就要化為烏有。就在緊要關(guān)頭，研究小組獲得了數(shù)筆籌款和熱心人的幫助。在接下來(lái)的兩年內(nèi)，錯(cuò)位難題被有效地解決。數(shù)據(jù)顯示，陀螺儀的偏轉(zhuǎn)角度跟愛因斯坦理論預(yù)測(cè)的數(shù)值幾乎分毫不差。這次實(shí)驗(yàn)有力地證實(shí)了廣義相對(duì)論：引力的確能扭曲時(shí)空。

卡西米爾效應(yīng)——無(wú)中生有

愛因斯坦研究宏觀宇宙，另一群物理學(xué)家則在極其微小的尺度上探測(cè)宇宙。原子和亞原子的世界遵循一套完全不同的規(guī)則——量子力學(xué)。根據(jù)量子力學(xué)，真空并不空，而是隨時(shí)有能量不斷起伏，粒子隨之不斷產(chǎn)生，它們相互轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)瞬湮滅。

引力探測(cè)器8全貌。

真空竟然能擠壓兩片金屬箔，這說(shuō)明真空并不空。橢圓形大小代表真空中虛粒子的能量高低。

1948年，荷蘭物理學(xué)家亨德里克·卡西米爾提出，即便在沒有物質(zhì)存在的真空仍有能量漲落?？ㄎ髅谞栴A(yù)測(cè)，如果讓兩個(gè)鏡面平整的金屬箔處于真空中并彼此靠近，波長(zhǎng)較長(zhǎng)的虛粒子就會(huì)被排除出金屬箔中間的區(qū)域。這樣一來(lái)，箔片間的能量密度就會(huì)比箔片外小，這會(huì)產(chǎn)生一種由外向內(nèi)推擠箔片的壓力。

1996年，實(shí)驗(yàn)終于證實(shí)了卡西米爾效應(yīng)。真空中兩塊金屬板靠近到一定距離時(shí)，真的吸到了一起。經(jīng)測(cè)試，在10納米間隙上（大概是一個(gè)原子尺度的]00倍），卡西米爾效應(yīng)能產(chǎn)生1個(gè)大氣壓的壓強(qiáng)?？梢?，在原子尺度上，真空并不空。它充滿了活力，甚至能讓物質(zhì)移動(dòng)。

希格斯粒子——?jiǎng)?chuàng)世粒子

宇宙中的基本粒子都有不同的質(zhì)量。這些基本粒子構(gòu)成原子，塑造了宇宙。那么，質(zhì)量的本質(zhì)是什么？為什么不同的基本粒子質(zhì)量也不同？

1964年，年輕的英國(guó)物理學(xué)家彼得·希格斯提出一種新理論：空間中存在一種無(wú)處不在的量子場(chǎng)（希格斯場(chǎng)），不同粒子在其中穿行的難度不一，這導(dǎo)致了各種粒子間的質(zhì)量差異。粒子的質(zhì)量就好像名人的聲望：聲望越高的明星越容易吸引狗仔隊(duì)，導(dǎo)致自己寸步難行：沒有什么聲望的普通人反而能輕易在街道上穿行。希格斯認(rèn)為，粒子與希格斯場(chǎng)的相互作用越大，它們獲得的質(zhì)量就越大。

希格斯確信這是一個(gè)偉大發(fā)現(xiàn)，但在他將自己的論文投遞給歐洲核子研究中心期刊部后，卻被拒絕發(fā)表。希格斯毫不氣餒，進(jìn)一步完善了他的理論。終于，他得到了前往普林斯頓大學(xué)高級(jí)研究所闡述理論的機(jī)會(huì)。這次闡述讓在場(chǎng)的物理學(xué)家意識(shí)到希格斯機(jī)制的重要性，因?yàn)槲覀冋业搅俗C明空間是實(shí)體的方法一那就是找到構(gòu)成希格斯場(chǎng)的希格斯粒子。

坐落于瑞士日內(nèi)瓦的歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)全長(zhǎng)27千米，是全世界最大、能量最高的粒子加速器。在這里，科學(xué)家將亞原子粒子加速至0.9999倍光速并相互撞擊，期望高能撞擊能從希格斯場(chǎng)中“敲下”一些希格斯粒子。

2012年，歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)傳出重磅消息，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種極有可能是希格斯粒子的全新粒子，并將其命名為希格斯玻色子。如果沒有希格斯場(chǎng)，大爆炸所產(chǎn)生的基本粒子依然會(huì)以光速飛行，無(wú)法聚合形成物質(zhì)。因此，希格斯波色子也被人們稱為創(chuàng)造萬(wàn)物的“創(chuàng)世粒子”。

不過，盡管希格斯機(jī)制已被證實(shí)，它卻只能將質(zhì)量賦予某些基本粒子，比如電子和夸克。構(gòu)成我們身體的原子由電子和原子核組成。電子的質(zhì)量非常小，一個(gè)體重70千克的成年人，體內(nèi)所有電子的質(zhì)量只有大約21克，剩下的質(zhì)量都集中在原子核里。如果將構(gòu)成原子核的質(zhì)子、中子再分解，還能得到基本粒子——夸克。但就算把夸克和電子的質(zhì)量加在一起，質(zhì)量也只有原子的1%左右;原子99%的質(zhì)量，其實(shí)來(lái)自強(qiáng)相互作用。

強(qiáng)相互作用是四種宇宙基本作用力中最強(qiáng)的一種，但它只能在極短的距離起作用。這種作用力能將三個(gè)夸克連接在一起，形成一個(gè)質(zhì)子或中子，也能讓質(zhì)子或中子緊密結(jié)合，形成原子核。愛因斯坦的質(zhì)能方程告訴我們，能量和質(zhì)量是等價(jià)的。因此，原子核內(nèi)部這種強(qiáng)大的結(jié)合能形成了原子質(zhì)量，并且占整個(gè)原子質(zhì)量的99%。

阻止宇宙收縮

1917年，在愛因斯坦建立引力場(chǎng)理論后不久，他發(fā)現(xiàn)如果按照數(shù)學(xué)計(jì)算，宇宙要么正在膨脹，要么正在收縮。無(wú)論怎樣，宇宙都不可能保持固定大小。愛因斯坦信奉靜態(tài)宇宙，為了挽救自己發(fā)明的理論，他進(jìn)行了彌補(bǔ)。愛因斯坦假設(shè)宇宙中有一種“反引力”能抵消引力，兩者相互制衡，使宇宙保持穩(wěn)定。

但是，科學(xué)家很快就發(fā)現(xiàn)宇宙并不是靜止的，而是在不斷膨脹。1927年，比利時(shí)天文學(xué)家勒梅特首次提出“宇宙大爆炸”假說(shuō)。1929年，美國(guó)天文學(xué)家愛德文·哈勃經(jīng)過觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)離我們?cè)竭h(yuǎn)的星系，遠(yuǎn)離我們的速度也越快，這說(shuō)明宇宙不僅在膨脹，而且膨脹速度不斷加快?？茖W(xué)家對(duì)宇宙微波背景輻射的觀測(cè)也支持了大爆炸理論。

那么，宇宙的膨脹速度為什么沒有被引力減弱呢？目前，基于大量觀測(cè)結(jié)果，科學(xué)家認(rèn)為宇宙中有大量看不到卻有引力效應(yīng)的暗物質(zhì)，還存在彼此遠(yuǎn)離的暗能量。兩者構(gòu)成了絕大部分的宇宙。如果給宇宙做一次“人口普查”，常規(guī)物質(zhì)只占4.9%，暗物質(zhì)占26.8%，還有68.3%是暗能量（質(zhì)能等價(jià)）。

既然暗能量能讓宇宙加速膨脹，為什么我們沒有感受到呢？這是因?yàn)榻M成我們世界的基本粒子被一些基本作用力牢牢聚攏在一起，抵消了暗能量產(chǎn)生的斥力。然而這種平衡也許不會(huì)持續(xù)太久：一種理論認(rèn)為，暗能量將使得星系不斷遠(yuǎn)離彼此，最終讓宇宙成為寒冷和黑暗的所在;另一種理論則認(rèn)為，讓宇宙膨脹至今的暗能量，其強(qiáng)度可能會(huì)越來(lái)越大，最終從原子內(nèi)部撕裂一切。（責(zé)任編輯 王川）

宇宙暗物質(zhì)3D分布圖。

目前科學(xué)界認(rèn)為，“大爆炸”后宇宙一直在加速膨脹。

人類對(duì)空間的認(rèn)識(shí)已經(jīng)進(jìn)入了新階段。牛頓時(shí)代的空間是一個(gè)“大舞臺(tái)”，宇宙萬(wàn)物在其中登臺(tái)、表演、謝幕，而“舞臺(tái)”本身不和“演員們”發(fā)生任何互動(dòng)。到了愛因斯坦時(shí)代，我們認(rèn)識(shí)到空間可以影響物體運(yùn)動(dòng)。接著，卡西米爾的完美金屬箔讓我們見識(shí)了一個(gè)無(wú)中生有的真空。再后來(lái)，希格斯機(jī)制和暗物質(zhì)/暗能量說(shuō)明宇宙大爆炸可能是由空間自身的能量引起的。隨著我們對(duì)空間本質(zhì)探究越來(lái)越深入，我們可能還會(huì)有更多發(fā)現(xiàn)。