时空的形状

战国末期尸佼曾经说过：“四方上下曰宇，往古来今曰宙。”“宇”指空间，“宙”指时间，“宇宙”就是时间和空间的统一。这说明在2000多年前，古人就已经意识到了宇宙的存在。如今在物理学、天文学、哲学等范畴中，我们常常听到的“时空”这个词，就同宇宙的概念一样。时空结构是三维空间与四维时间相结合的概念模型，这个概念非常抽象。那时空究竟有着什么样的形状呢？

古时候人们认为天是圆的，地是方的，日月星辰则像爬虫一样高过天空，这一学说被称为“天圆地说方”。天圆地方一说，有严重的逻辑缺陷。孔子的弟子曾子早就怀疑过：“天圆地方，则四角不掩也。”一个圆形的，一个方形的，二者如何衔接？可是，中国人不管那一套。到北京看看天坛和地坛，一个完全是圆形的，一个完全是方形的。

随着科技的发展，人们对时空的认识也在不断加深，借助探测仪器，科学家们继续探索时空的形状。时空究竟是什么形状？是否有边界呢？

于是，奥伯斯提出了著名的“奥伯斯佯谬”：如果宇宙是无限的，并且恒星的数量也是无限的，而且是均匀分布的，那么黑夜则不复存在，因为你向任何一个方向望去，总能看到一颗恒星。

这个问题也引来爱因斯坦的疑惑：宇宙究竟是无限伸展的，还是有限封闭的？

1917年，爱因斯坦向普鲁士科学院提交了一篇题为《广义相对论下的宇宙学思考》的论文。我们常常把空间想象成事情发生的空旷位置，例如预备放东西的空仓库，或者让宇宙中的事件表演的舞台，但广义相对论则认为，空间并不是一片虚空，而是一个实际的、动态的东西。现在很多发现也验证了这一观点。空间会因为物质和能量而扭曲，还会影响在其中移动的物体的运动轨迹。空间可以被引力波影响而振动，也可以扩张，在空间中产生越来越多的空间。这就引出了“空间曲率”或者说“时空曲率”。

如果在行星或者黑洞这些正曲率空间中，它是一个封闭的三维球面，也就是有边界，它像一个巨大的土豆，如果你向同一方向一直走，最终一定会回到起点；如果在没有能量和物质的空间曲率为零的时空里，它则是一个无边无际的平坦三维空间；如果时空空间具有负曲率，那么它同样也没有边际，是一个弯曲的三维双曲面，像马鞍一样。

而如何测量时空的形状，一共有两种方法：一是用几何的方法测量——测量三角形的内角和，若时空为平，那么三角形的内角和为180°，若时空为曲，则内角和会视曲度而大于或小于180°；其二是测量会造成空间扭曲的原因——时空中物质和能量的密度。

用这两种方法测量我们的宇宙，得出的结果都表明，时空大致是平的，只有0.4%的误差。这也就意味着我们的宇宙并不是一个巨大的球形，而生活在一个平坦的时空中或许是宇宙级别的巨大巧合。

直到现在，科学家仍然不知道宇宙的质量能量密度为何这么完美，毕竟说到宇宙曲率，我们只能感慨人类的知识还是太少了。时空对于人类来说仍然是现在及未来的一个研究课题，我们不知道的还有很多很多……