空间非你所想象

赤纬

在古罗马时期，有人问思想家圣·奥古斯丁时间是什么，他回答说：“你不问我，我本来很清楚地知道它是什么，你问我，我倒觉得茫然了。”

空间也是这样。

空间是什么？这听起来像是一个简单的问题。但是如果你认真地审视这个问题，会发现你很难找到一个清晰的答案。下面，我们就来详细地探讨一下。

空间，它是什么？

一种观点认为，空间就是空虚，一个空着的地方，是宇宙中各种事情发生的舞台，不需要任何物质就可以存在，所以它可以无限地延伸下去。例如，想象你在宇宙中不断前行，直到某个地方你发现除了你以外，没有任何物质。此时，你面对的就是一片纯粹的空间。

另一种观点认为，空间是一种物质之间的关系，就像“林间有块空地”、“宇宙中有空洞”，都是指具体物质之间的状态。因为没有物质，就没有物质之间的关系，于是就没有空间。

那么，哪个观点是对的？

事实证明，空间都不是这些。我们之所以这样说，是因为空间可以做出许多违背我们常识的事情。比如，我们观察到空间可以弯曲、膨胀，以及产生涟漪。如果空间是一个空虚，那么它就不能被弯曲或膨胀。如果空间只是衡量物质之间的关系，那么关系本身怎么会发生弯曲或膨胀呢？

之所以会出现这种问题，原因是大多数人在想到空间时，脑海中产生的是一种我们日常生活中已有的空的观念。但根据爱因斯坦提出的广义相对论，我们必须放弃空间是空的概念，而接受它是一种实体的事实。

空间果冻，你在里面游动

根据广义相对论，为了更直观一些，我们把空间比喻成一团巨大的果冻。这个空间果冻能做什么？事实证明，它可以做很多奇怪的事情。

首先， 空间是可以膨胀的。事实上，我们已经看到了宇宙的空间在膨胀——遥远的星系都在远离我们。我们还认为，早期宇宙的空间还曾发生过剧烈的膨胀，宇宙在10的几十次方分之1秒的瞬间便增大了好几十个数量级。这就是宇宙的暴胀。

我们还知道空间可以弯曲，就像果冻可以变形一样。广义相对论告诉我们，有质量的物体会使周围的空间发生弯曲，而引力就是空间弯曲的体现。

空间发生弯曲时，里面的物体不再如最初那样移动。抛出的棒球不会沿着直线移动，而会因空间的弯曲沿着抛物线运动。如果棒球经过某些大质量物体附近时，它运动的路径不仅会发生弯曲，甚至可能会绕着这个物体转，就像月球绕着地球运行一样。

天文学家早已观测到，光线在太阳或暗物质等天体的附近穿过时，因引力的作用会产生弯曲。如果引力只是物体之间的作用力，而不是空间的弯曲，那么它就不能拉动没有质量的光子。唯一能解释光线发生弯曲的办法，是空间本身发生了弯曲。

最后，我们还知道空间可以产生涟漪，这就是引力波。你可以把这些引力波想象成一波空间的拉伸和压缩。如果你突然造成空间的一种扭曲，这种扭曲就会像声波或水波一样，向外传播出去，就像把果冻碰一下，它会波动一样。

在2015年9月，我们首次探测到了引力波。在宇宙的某个地方，两个黑洞在互相旋转时彼此接近，并最终合并在一起，这个过程中，它们会向外辐射出较强的引力波。借助美国的激光干涉引力波天文台，我们最终在地球上探测到这些空间的涟漪。

空间果冻的问题

总之，空间就是一种具有物理属性的实体。不过，你可能会想说，我们以前称之为空间的东西现在应该被称为空间果冻，而这个空间果冻必须坐落于某种区域内，我们现在可以把这种区域称为空间。但是物理学家却认为，空间果冻不需要坐落于任何区域之内。此外，空间的弯曲，不是空间相对于外部某个东西发生了弯曲，而是它相对于自身发生了弯曲，是空间各个部分之间的关系发生了改变。

但是，我们说空间不需要坐落于任何区域之内，并不意味着它就没有坐落于某个区域之内。也许我们所说的空间，实际上是处于在更大的“超空间”里。但事实如何，还无人知晓。

有没有可能，宇宙的某个部分没有空间？这些问题很难回答清楚，因为我们所有的物理定律都假设空间是存在的，那么什么样的定律可以在空间不存在的情况下运行呢？我们完全不知道。

空间是平坦的吗？

整个空间是平的还是弯曲的？如果是弯曲的，它是怎样弯曲的？

这些问题对我们宇宙的结构有着决定性的影响，但解释起来非常困难。不过，我可以采用一种形象化的方法，那就是假装我们生活在一个二维世界里，就像被困在一张纸上一样。

如果我们生活的纸是完全平直的，我们说空间是平的，其曲率为零。

如果纸发生了弯曲，则有两种情况。它可以向着一个方向弯曲，这种弯曲具有正的曲率；或者，它可以向着多个不同方向弯曲，像马鞍或薯片那样，这种弯曲具有负的曲率。

如果空间在任何地方都是平的，那就意味着空间可能会无限地延伸下去。你往一个方向走，你可以一直走下去。但如果我们发现空间在任何地方都有一个正曲率，那么只有在一种情况下才能让我们一直走下去——空间是球形或椭球型的情况，比如一个土豆的表面。如果我们都生活在一个相当于土豆表面的三维空间里，那么朝一个方向走下去，你可能会从一个相反方向回到原来的位置上！这个信息很有用，例如，你可以借此做个恶作剧。

但天文學观测表明，我们宇宙的空间看起来是“非常平坦的”。科学家是通过两种方法计算出宇宙空间曲率的。

一个方法是测量三角形。事实上，弯曲空间中的三角形内角之和不等于180度。正曲率空间中的三角形角之和大于180度，负曲率的要小于180度。科学家通过观察宇宙各个时期的图像，并研究图像中不同点之间的空间关系，发现我们宇宙中的三角形内角之和基本上等于180度，所以说我们的空间是平坦的。

另一种方式是通过观察能引起空间弯曲的东西——宇宙中所有的能量和物质的密度。根据广义相对论，在一个膨胀的宇宙中，如果宇宙的密度接近某个临界值时，空间就是平坦的；如果大于这个临界值时，空间就会具有正的曲率，能量和物质可战胜宇宙膨胀的趋势，宇宙最终会停止膨胀并开始坍缩；如果小于这个临界值时，空间就会具有负的曲率，宇宙会永远地膨胀下去。事实证明，我们测到的宇宙的密度，正好能让我们的空间保持平坦。

不过请不要对生活在一个平坦宇宙中而感到失望，因为据我们所知，我们生活在一个平坦的宇宙中是一个天大的巧合，因为宇宙的密度只要发生一点点的改变，宇宙就会不再平坦。观测显示，我们宇宙的密度为每立方米空间里平均有5个氢原子。天文学家推算，只要密度变为每立方米空间里平均有6个或者4个的话，那种我们的宇宙就会不再平坦了。

我们的宇宙是怎么保持平坦的呢？为什么会这样的？这是关于空间的一个最大谜团之一。

空间有没有边界？

你可能会认为，既然我们的空间是平坦的，而不是像土豆或马鞍（或马鞍上的土豆）那样，那就意味着它必须永远继续这样延伸下去，对吧？

这可不一定！空间可以是平坦的，也可以是无限的。或者，它可以是平坦的，但有一条边。实际上，没有任何理论告诉我们空间不许拥有边界。也许，我们的三维空间也有一个边界，在它的边缘会有一些奇怪的几何性质。

更有趣的可能是，空间是平坦的，而且边界还能“首尾相接”。这就像你在玩某些视频游戏（如吃豆人游戏）的时候，如果你超越屏幕的一个边界，你会在另一边界上出现。空间也许能够以类似这种方式与自身连接。

那么这是怎么发生的呢？也许虫洞能给我们一些启示。虫洞是广义相对论预言的一种时空隧道，两个相距遥远的不同的点可以借助虫洞连接起来。如果空间的边界都以相似的方式连接在一起，也许就能产生“首尾相接”的效果。

把空间量子化

空间究竟是由什么构成的？空间是由许多微小的结构单元构成的，就像电视屏幕上的像素那样？或者，空间是无限光滑，你可以无限地放大下去，但它始终会保持着连续光滑的结构？

无限光滑的空间对我们来说似乎更合理一些。毕竟，我们不是像视频游戏角色在屏幕上移动时那样，一个像素地一个像素地移动的。

不过，古代的科学家也曾认为空气是连续的，然而事实上，空气是由微小的离散分子组成的。类似地，空间也可能是由微小的离散结构组成的。而且，考虑到我们现在对宇宙的理解，空间更有可能是由许多微小的结构单元构成的，即空间可以是量子化的。因为我们知道其他的事物都是量子化的。物质是量子化的，能量是量子化的，力是量子化的。量子力学还认为，存在着一种最小可测长度，叫做普朗克长度，大约为10-35米。所以，空间量子化是很有道理的。

如果空间是量子化的，那当我们穿过空间的时候，我们实际上是从一个位置跨过一小段距离跳到另一个位置上。一些物理学家还推测，根据这个量子化的思路，空间其实是这些节点（空间量子，即空间的最小单位）连接起来的一种网络，每个节点表示一个位置，节点之间的连接表示这些位置之间的关系，即谁挨着谁。

也许，宇宙中的所有粒子可能只是这些节点的某种振动模式。如果你了解相关的量子场理论的话，那么这个观点听起来就不那么疯狂。事实上，宇宙中充满了各种场，比如电子场、光子场、希格斯场等，而我们所认识的每一个粒子只不过是这些场的一个局域的小振动。

一些人还怀疑，节点之间的连接其实是由量子纠缠产生的，但这个想法只是一群喜欢熬夜奋战的理论学家所做的一个数学推测。

空间的更深一层奥秘

如果空间是一种物理实体，而不是背景或框架，有一些动态的特性，比如可以弯曲，可产生涟漪，甚至可以量子化，那么我们就得想：空间还能做什么？

像空气一样，也许它有不同的状态和阶段。在极端的条件下，也许它可以以意想不到的方式来组合出自己，或者有更意想不到的特性，就像空气在气态、液态或固態下有不同表现一样。也许我们所知的空间只是一种罕见形式的空间，宇宙中还有其他类型的空间，只是等着我们来弄清楚如何创造和操纵它们。

为了了解空间是什么以及它能做什么，我们最好的办法是，仔细观察宇宙中最为极端的空间形变——黑洞。如果我们能探测到黑洞附近的空间，也许能看到一些关于空间最为奇怪的状态。

令人兴奋的是，我们比以往任何时候都更容易探测到黑洞。过去，我们完全察觉不到在宇宙中穿行的引力波，而现在，我们已经有能力倾听到它，并借此能了解到黑洞引发的太空暴力事件。也许在不久的将来，我们会借此揭示出更多关于空间的奥秘。