空间的构造

段景颐

从“近光速汽车”内部看出去，外面的世界如同梦境。

进入20世纪后，人类对空间的认识不断加深：空间不但可以被扭曲，还能无中生有。作为宇宙这栋大楼的钢筋，空间中真的什么都没有么？实际上，即便没有任何天体、尘埃和电磁波的某些星际空间，也不能算“全无”。越来越多的观测结果表明，无论是我们周围的空间还是接近真空的太空，都是有形的。我们身处其中却无法感受，就好像水中游动的鱼：如果鱼不被飞鸟衔住，离开水中，它就永远不会意识到水的存在。

第一条用理论阐释“水”的“鱼儿”是现代科学之父艾萨克·牛顿。牛顿认为，空间是宇宙万物的舞台，是一切事物相互作用的框架。牛顿诠释的空间是被动、绝对、永恒和不变的，物体不影响空间，空间也不影响物体。牛顿的理论可以完美诠释从苹果落下到地球围绕太阳运行的万物运动规则。这套理论目前在某些领域依然适用，我们今天仍然用它完成包括发射火箭在内的许多工作。19世纪末电磁学将科技领入新纪元，但却和牛顿的理论体系矛盾。为了维护牛顿体系，以洛伦兹为代表的一些科学家开始在这套体系的基础上进行修补。

光速不变悖论

20世纪初期，一位瑞士专利局的年轻文员提出新理论，动摇了牛顿理论。这个文员名叫阿尔伯特·爱因斯坦。在那个光电技术飞速发展的年代，也许是电灯发出的光引发了爱因斯坦对光本质的思考，也让他发现了牛顿理论的漏洞。

随着人类测量光速越来越精准，人们发现光具有一种非常奇怪的特性：在真空中，光速永远是恒定的。不变的光速让许多科学家陷入困惑。不过，爱因斯坦看到了这个问题的本质：既然速度是物体单位时间内移动的距离，光速恒定说明时间和空间（距离）是可变的。 从“近光速汽车”内部看出去，外面的世界如同梦境。

空间和时间的确是变化的。如果有人驾驶着一辆神奇汽车，以0.1倍光速闯红灯通过路口，而他的违章行为刚好被一台能够清晰捕捉以光速运动的物体的摄像机拍下，那么摄像机拍到的违章车辆看起来就像是前后被压缩了一般——驾驶室的长度被压缩至数厘米。如果有人能看见驾驶员手表上的指针，他会发现指针运行变得异常缓慢;而驾驶员观察到的会是以正常速度运转的手表。从车内看出去，窗外的景象也将变得难以置信，因为0.1倍光速让空间发生了大幅度调整。所有的一切诡异变化，都是为了保持光速恒定。因此，爱因斯坦将时间和空间这两个原本独立的概念融合在一起，形成了“时空”。

引力扭曲空间

牛顿认为引力是一种吸引物体的力。他发明的万有引力公式能够精确计算出引力对物体的影响。但引力的真面目是什么？地球和月球之间好像有一根无形的绳索相连，但是每个人都知道这不是真的，而牛顿没有做出任何解释。

牛顿认为万物之间都有引力，就好像是一条无形绳索。实际上，引力是被物质扭曲的时空，月球绕地球旋转的原因也在于此。

1915年，爱因斯坦在一次学院发言上首次提出：引力不是牛顿的无形绳索，而是被扭曲的时空本身，这就是引力的秘密。爱因斯坦在广义相对论中指出，物质能够扭曲时空。在爱因斯坦看来，时空像一块柔软的布料，在这块布料上的重物会在周围形成凹陷，就像一枚铅球被放在席梦思床垫上形成的凹陷，如果有其他物體进入凹陷区域，就会顺势滚向重物，爱因斯坦意识到，这恰恰就是引力的运行机制——物质扭曲时空，改变空间形状。月球围绕地球旋转，不是因为它们之间有根看不见的绳子，而是因为月球在沿着地球所扭曲的空间运动。爱因斯坦让空间变得更真实、更柔软，空间突然有了几何形状。

爱因斯坦在广义相对论中，预言宇宙中存在一种非常致密的天体——黑洞。黑洞是巨大质量恒星的尸体，能产生非常强的引力场。爱因斯坦通过计算发现，旋转的黑洞能够扭曲并拖拽它周围的空间。引力真的能扭曲空间？要验证这个理论，最好的办法是找到黑洞进行观测。然而，就算以光速移动，从地球到最近的黑洞也需要3000多年，以人类目前的科技是很难接近观察的。为了验证爱因斯坦的理论，人们需要新的方法。

验证广义相对论

20世纪50年代后期，物理学家伦纳德·希夫开始寻找一种能验证广义相对论的方法。1959年，在斯坦福大学的教职工游泳池里，希夫与另外两位同事威廉姆·费尔班克和鲍勃·卡农一起，讨论基于磁矩技术的高精度陀螺仪。通常情况下，陀螺仪的轴线总是指向同一个方向。如果地球能扭曲空间，那么同处于扭曲空间的高精度陀螺仪的轴线就会发生改变;而陀螺仪轴线的偏角是可以被测量的。这是个很巧妙的想法，只不过，根据相对论公式计算，地球对于周围空间的扭曲非常微小，要测量这个微小变化，相当于从100千米以外测量一枚硬币的直径，陀螺本身的指向误差都远超过这个数值。有幸高精度陀螺仪的问世大大降低了误差，能够让科学家测量到空间的扭曲量。

经过两年的攻坚，三人终于想出一种测量方法：将四台独立的超高精度磁矩陀螺仪置于接近绝对零度的低温超导容器内，并将其装载在卫星上。在一台参考望远镜的帮助下，卫星和四台陀螺仪的自转轴都对准飞马座双星HR8703这颗易于观测的引导星。如果引力果真能够扭曲空间，陀螺仪的自转轴就会变化。

1962年，他们成功地向美国国家航空航天局申请到了一笔100万美元的研究经费，“引力探测B计划”正式启动。研究小组的成员原以为3年内就可以发射卫星，但事实证明他们过于乐观——引力探测B计划成为美国航天局史上最漫长的“马拉松”计划。结果，为了实现最终的设想，他们花费了几十年的时间。在卫星发射前，他们还需要解决许多技术和理论难题，例如制造高精度的陀螺仪，其转子将是地球上最完美的球体——其任何方向的误差不允许超过40个原子直径。

42年后，这个总投入上亿美元，9次险些被终止的“引力探测B计划”终于迎来了发射升空的一天。1959年在游泳池讨论的三人组中，只有一个人活着见到了这一幕。

在接下来的一年时间，引力探测器B围绕地球飞行，研究小组严密注视卫星全程运行，努力寻找地球引力导致空间扭曲的证据。终于，数据开始发生缓慢地变化，然而还是出现了一个问题，陀螺仪正在缓慢地发生微小的错位。

这一变化很可能会导致重要数据丢失，随着研究经费日益紧张，眼看近半个世纪的努力就要化为乌有。就在紧要关头，研究小组获得了数笔筹款和热心人的帮助。在接下来的两年内，错位难题被有效地解决。数据显示，陀螺仪的偏转角度跟爱因斯坦理论预测的数值几乎分毫不差。这次实验有力地证实了广义相对论：引力的确能扭曲时空。

卡西米尔效应——无中生有

爱因斯坦研究宏观宇宙，另一群物理学家则在极其微小的尺度上探测宇宙。原子和亚原子的世界遵循一套完全不同的规则——量子力学。根据量子力学，真空并不空，而是随时有能量不断起伏，粒子随之不断产生，它们相互转化，转瞬湮灭。

引力探测器8全貌。

真空竟然能挤压两片金属箔，这说明真空并不空。椭圆形大小代表真空中虚粒子的能量高低。

1948年，荷兰物理学家亨德里克·卡西米尔提出，即便在没有物质存在的真空仍有能量涨落。卡西米尔预测，如果让两个镜面平整的金属箔处于真空中并彼此靠近，波长较长的虚粒子就会被排除出金属箔中间的区域。这样一来，箔片间的能量密度就会比箔片外小，这会产生一种由外向内推挤箔片的压力。

1996年，实验终于证实了卡西米尔效应。真空中两块金属板靠近到一定距离时，真的吸到了一起。经测试，在10纳米间隙上（大概是一个原子尺度的]00倍），卡西米尔效应能产生1个大气压的压强。可见，在原子尺度上，真空并不空。它充满了活力，甚至能让物质移动。

希格斯粒子——创世粒子

宇宙中的基本粒子都有不同的质量。这些基本粒子构成原子，塑造了宇宙。那么，质量的本质是什么？为什么不同的基本粒子质量也不同？

1964年，年轻的英国物理学家彼得·希格斯提出一种新理论：空间中存在一种无处不在的量子场（希格斯场），不同粒子在其中穿行的难度不一，这导致了各种粒子间的质量差异。粒子的质量就好像名人的声望：声望越高的明星越容易吸引狗仔队，导致自己寸步难行：没有什么声望的普通人反而能轻易在街道上穿行。希格斯认为，粒子与希格斯场的相互作用越大，它们获得的质量就越大。

希格斯确信这是一个伟大发现，但在他将自己的论文投递给欧洲核子研究中心期刊部后，却被拒绝发表。希格斯毫不气馁，进一步完善了他的理论。终于，他得到了前往普林斯顿大学高级研究所阐述理论的机会。这次阐述让在场的物理学家意识到希格斯机制的重要性，因为我们找到了证明空间是实体的方法一那就是找到构成希格斯场的希格斯粒子。

坐落于瑞士日内瓦的欧洲大型强子对撞机全长27千米，是全世界最大、能量最高的粒子加速器。在这里，科学家将亚原子粒子加速至0.9999倍光速并相互撞击，期望高能撞击能从希格斯场中“敲下”一些希格斯粒子。

2012年，欧洲大型强子对撞机实验传出重磅消息，科学家发现了一种极有可能是希格斯粒子的全新粒子，并将其命名为希格斯玻色子。如果没有希格斯场，大爆炸所产生的基本粒子依然会以光速飞行，无法聚合形成物质。因此，希格斯波色子也被人们称为创造万物的“创世粒子”。

不过，尽管希格斯机制已被证实，它却只能将质量赋予某些基本粒子，比如电子和夸克。构成我们身体的原子由电子和原子核组成。电子的质量非常小，一个体重70千克的成年人，体内所有电子的质量只有大约21克，剩下的质量都集中在原子核里。如果将构成原子核的质子、中子再分解，还能得到基本粒子——夸克。但就算把夸克和电子的质量加在一起，质量也只有原子的1%左右;原子99%的质量，其实来自强相互作用。

强相互作用是四种宇宙基本作用力中最强的一种，但它只能在极短的距离起作用。这种作用力能将三个夸克连接在一起，形成一个质子或中子，也能让质子或中子紧密结合，形成原子核。愛因斯坦的质能方程告诉我们，能量和质量是等价的。因此，原子核内部这种强大的结合能形成了原子质量，并且占整个原子质量的99%。

阻止宇宙收缩

1917年，在爱因斯坦建立引力场理论后不久，他发现如果按照数学计算，宇宙要么正在膨胀，要么正在收缩。无论怎样，宇宙都不可能保持固定大小。爱因斯坦信奉静态宇宙，为了挽救自己发明的理论，他进行了弥补。爱因斯坦假设宇宙中有一种“反引力”能抵消引力，两者相互制衡，使宇宙保持稳定。

但是，科学家很快就发现宇宙并不是静止的，而是在不断膨胀。1927年，比利时天文学家勒梅特首次提出“宇宙大爆炸”假说。1929年，美国天文学家爱德文·哈勃经过观测，发现离我们越远的星系，远离我们的速度也越快，这说明宇宙不仅在膨胀，而且膨胀速度不断加快。科学家对宇宙微波背景辐射的观测也支持了大爆炸理论。

那么，宇宙的膨胀速度为什么没有被引力减弱呢？目前，基于大量观测结果，科学家认为宇宙中有大量看不到却有引力效应的暗物质，还存在彼此远离的暗能量。两者构成了绝大部分的宇宙。如果给宇宙做一次“人口普查”，常规物质只占4.9%，暗物质占26.8%，还有68.3%是暗能量（质能等价）。

既然暗能量能让宇宙加速膨胀，为什么我们没有感受到呢？这是因为组成我们世界的基本粒子被一些基本作用力牢牢聚拢在一起，抵消了暗能量产生的斥力。然而这种平衡也许不会持续太久：一种理论认为，暗能量将使得星系不断远离彼此，最终让宇宙成为寒冷和黑暗的所在;另一种理论则认为，让宇宙膨胀至今的暗能量，其强度可能会越来越大，最终从原子内部撕裂一切。（责任编辑 王川）

宇宙暗物质3D分布图。

目前科学界认为，“大爆炸”后宇宙一直在加速膨胀。

人类对空间的认识已经进入了新阶段。牛顿时代的空间是一个“大舞台”，宇宙万物在其中登台、表演、谢幕，而“舞台”本身不和“演员们”发生任何互动。到了爱因斯坦时代，我们认识到空间可以影响物体运动。接着，卡西米尔的完美金属箔让我们见识了一个无中生有的真空。再后来，希格斯机制和暗物质/暗能量说明宇宙大爆炸可能是由空间自身的能量引起的。随着我们对空间本质探究越来越深入，我们可能还会有更多发现。