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在古羅馬期間，有人問思惟家圣·奧古斯丁時候是什么，他回覆說：“你不問我，我原本很清晰地知道它是什么，你問我，我倒感覺茫然了。” 空間也是如許。 空間是什么？這聽起來像是一個簡單的問題。可是若是你當真地審閱這個問題，會發現你很難找到一個清楚的謎底。下面，我們就來具體地切磋一下。
空間，它是什么？ 一種不雅點認為，空間就是空虛，一個空著的處所，是宇宙中各類工作發生的舞臺，不需要任何物質就可以存在，所以它可以無限地延長下去。例如，想象你在宇宙中不竭前行，直到某個處所你發現除了你以外，沒有任何物質。此時，你面臨的就是一片純粹的空間。
另一種不雅點認為，空間是一種物質之間的關系，就像“林間有塊空位”、“宇宙中有浮泛”，都是指具體物質之間的狀況。因為沒有物質，就沒有物質之間的關系，于是就沒有空間。
那么，哪個不雅點是對的？ 事實證實，空間都不是這些。我們之所以如許說，是因為空間可以做出很多違反我們常識的工作。好比，我們不雅察到空間可以彎曲、膨脹，以及發生漣漪。若是空間是一個空虛，那么它就不克不及被彎曲或膨脹。若是空間只是權衡物質之間的關系，那么關系自己怎么會發生彎曲或膨脹呢？ 之所以會呈現這種問題，原因是年夜大都人在想到空間時，腦海中發生的是一種我們日常糊口中已有的空的不雅念。但按照愛因斯坦提出的廣義相對論，我們必需拋卻空間是空的概念，而接管它是一種實體的事實。 空間果凍，你在里面游動 按照廣義相對論，為了更直不雅一些，我們把空間比方當作一團龐大的果凍。這個空間果凍能做什么？事實證實，它可以做良多奇異的工作。
起首, 空間是可以膨脹的。事實上，我們已經看到了宇宙的空間在膨脹——遙遠的星系都在遠離我們。我們還認為，早期宇宙的空間還曾發生過猛烈的膨脹，宇宙在10的幾十次方分之1秒的剎時便增年夜了好幾十個數目級。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，有質量的物體味使四周的空間發生彎曲，而引力就是空間彎曲的表現。 空間發生彎曲時，里面的物體不再如最初那樣移動。拋出的棒球不會沿著直線移動，而會因空間的彎曲沿著拋物線活動。若是棒球顛末某些年夜質量物體四周時，它活動的路徑不僅會發生彎曲，甚至可能會繞著這個物體轉，就像月球繞著地球運行一樣。
天文學家早已不雅測到，光線在太陽或暗物質等天體的四周穿過時，因引力的感化會發生彎曲。若是引力只是物體之間的感化力，而不是空間的彎曲，那么它就不克不及拉動沒有質量的光子。獨一能詮釋光線發生彎曲的法子，是空間自己發生了彎曲。 最后，我們還知道空間可以發生漣漪，這就是引力波。你可以把這些引力波想象當作一波空間的拉伸和壓縮。若是你俄然造當作空間的一種扭曲，這種扭曲就會像聲波或水波一樣，標的目的別傳播出去，就像把果凍碰一下，它會波動一樣。 在2015年9月，我們初次探測到了引力波。在宇宙的某個處所，兩個黑洞在互相扭轉時彼此接近，并最終歸并在一路，這個過程中，它們會標的目的外輻射出較強的引力波。借助美國的激光干與引力波天文臺，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體。不外，你可能會想說，我們以前稱之為空間的工具此刻應該被稱為空間果凍，而這個空間果凍必需坐落于某種區域內，我們此刻可以把這種區域稱為空間。可是物理學家卻認為，空間果凍不需要坐落于任何區域之內。此外，空間的彎曲，不是空間相對于外部某個工具發生了彎曲，而是它相對于自身發生了彎曲，是空間各個部門之間的關系發生了改變。 可是，我們說空間不需要坐落于任何區域之內，并不料味著它就沒有坐落于某個區域之內。也許我們所說的空間，現實上是處于在更年夜的“超空間”里。但事實若何，還無人知曉。
有沒有可能，宇宙的某個部門沒有空間？這些問題很難回覆清晰，因為我們所有的物理心猿意馬律都假設空間是存在的，那么什么樣的心猿意馬律可以在空間不存在的環境下運行呢？我們完全不知道。 空間是平展的嗎？ 整個空間是平的仍是彎曲的？若是是彎曲的，它是如何彎曲的？ 這些問題對我們宇宙的布局有著決議性的影響，但詮釋起來很是堅苦。不外，我可以采用一種形象化的方式，那就是假裝我們糊口在一個二維宿世界里，就像被困在一張紙上一樣。
若是我們糊口的紙是完全平直的，我們說空間是平的，其曲率為零。 若是紙發生了彎曲，則有兩種環境。它可以標的目的著一個偏向彎曲，這種彎曲具有正的曲率；或者，它可以標的目的著多個分歧偏向彎曲，像馬鞍或薯片那樣，這種彎曲具有負的曲率。
若是空間在任何處所都是平的，那就意味著空間可能會無限地延長下去。你往一個偏向走，你可以一向走下去。但若是我們發現空間在任何處所都有一個正曲率，那么只有在一種環境下才能讓我們一向走下去——空間是球形或橢球型的環境，好比一個土豆的概況。若是我們都糊口在一個半斤八兩于土豆概況的三維空間里，那么朝一個偏向走下去，你可能會從一個相反偏向回到本來的位置上！這個信息很有效，例如，你可以借此做個惡作劇。
但天文學不雅測表白，我們宇宙的空間看起來是“很是平展的”。科學家是經由過程兩種方式計較出宇宙空間曲率的。
一個方式是測量三角形。事實上，彎曲空間中的三角形內角之和不等于180度。正曲率空間中的三角形角之和年夜于180度，負曲率的要小于180度。科學家經由過程不雅察宇宙各個期間的圖像，并研究圖像中分歧點之間的空間關系，發現我們宇宙中的三角形內角之和根基上等于180度，所以說我們的空間是平展的。
另一種體例是經由過程不雅察能引起空間彎曲的工具——宇宙中所有的能量和物質的密度。按照廣義相對論，在一個膨脹的宇宙中，若是宇宙的密度接近某個臨界值時，空間就是平展的；若是年夜于這個臨界值時，空間就會具有正的曲率，能量和物質可戰勝宇宙膨脹的趨向，宇宙最終會遏制膨脹并起頭坍縮；若是小于這個臨界值時，空間就會具有負的曲率，宇宙會永遠地膨脹下去。事實證實，我們測到的宇宙的密度，正好能讓我們的空間連結平展。 不外請不要對糊口在一個平展宇宙中而感應掉望，因為據我們所知，我們糊口在一個平展的宇宙中是一個天年夜的巧合，因為宇宙的密度只要發生一點點的改變，宇宙就會不再平展。不雅測顯示，我們宇宙的密度為每立方米空間里平均有5個氫原子。天文學家推算，只要密度變為每立方米空間里平均有6個或者4個的話，那種我們的宇宙就會不再平展了。 我們的宇宙是怎么連結平展的呢？為什么會如許的？這是關于空間的一個最年夜謎團之一。 空間有沒有鴻溝？ 你可能會認為，既然我們的空間是平展的，而不是像土豆或馬鞍（或馬鞍上的土豆）那樣，那就意味著它必需永遠繼續如許延長下去，對吧？
這可紛歧心猿意馬！空間可所以平展的，也可所以無限的。或者，它可所以平展的，但有一條邊。現實上，沒有任何理論告訴我們空間不許擁有鴻溝。也許，我們的三維空間也有一個鴻溝，在它的邊緣會有一些奇異的幾何性質。 更有趣的可能是，空間是平展的，并且鴻溝還能“首從頭至尾相接”。這就像你在玩某些視頻游戲（如吃豆人游戲）的時辰，若是你超越屏幕的一個鴻溝，你會在另一鴻溝上呈現。空間也許可以或許以近似這種體例與自身毗連。 那么這是怎么發生的呢？也許蟲洞能給我們一些啟迪。蟲洞是廣義相對論預言的一種時空地道，兩個相距遙遠的分歧的點可以借助蟲洞毗連起來。若是空間的鴻溝都以相似的體例毗連在一路，也許就能發生“首從頭至尾相接”的結果。
把空間量子化 空間事實是由什么組成的？空間是由很多細小的布局單位組成的，就像電視屏幕上的像素那樣？或者，空間是無限滑膩，你可以無限地放年夜下去，但它始終會連結著持續滑膩的布局？ 無限滑膩的空間對我們來說似乎更合理一些。究竟結果，我們不是像視頻游戲腳色在屏幕上移動時那樣，一個像素地一個像素地移動的。
不外，古代的科學家也曾認為空氣是持續的，然而事實上，空氣是由細小的離散分子構成的。近似地，空間也可能是由細小的離散布局構成的。并且，考慮到我們此刻對宇宙的理解，空間更有可能是由很多細小的布局單位組成的，即空間可所以量子化的。因為我們知道其他的事物都是量子化的。物質是量子化的，能量是量子化的，力是量子化的。量子力學還認為，存在著一種最小深奧無極長度，叫做普朗克長度，年夜約為10-35米。所以，空間量子化是很有事理的。 若是空間是量子化的，那當我們穿過空間的時辰，我們現實上是從一個位置跨過一小段距離跳到另一個位置上。一些物理學家還猜測，按照這個量子化的思緒，空間其實是這些節點（空間量子，即空間的最小單元）毗連起來的一種收集，每個節點暗示一個位置，節點之間的毗連暗示這些位置之間的關系，即誰挨著誰。 也許，宇宙中的所有粒子可能只是這些節點的某種振動模式。若是你領會相關的量子場理論的話，那么這個不雅點聽起來就不那么瘋狂。事實上，宇宙中布滿了各類場，好比電子場、光子場、希格斯場等，而我們所熟悉的每一個粒子只不外是這些場的一個局域的小振動。 一些人還思疑，節點之間的毗連其實是由量子糾纏發生的，但這個設法只是一群喜好熬夜奮戰的理論學家所做的一個數學猜測。
空間的更深一層奧秘 若是空間是一種物理實體，而不是布景或框架，有一些動態的特征，好比可以彎曲，可發生漣漪，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，也許它有分歧的狀況和階段。在極端的前提下，也許它可以以意想不到的體例來組合出本身，或者有更意想不到的特征，就像空氣在氣態、液態或固態下有分歧表示一樣。也許我們所知的空間只是一種罕有形式的空間，宇宙中還有其他類型的空間，只是等著我們來弄清晰若何締造和把持它們。 為了領會空間是什么以及它能做什么，我們最好的法子是，細心不雅察宇宙中最為極端的空間形變——黑洞。若是我們能探測到黑洞四周的空間，也許能看到一些關于空間最為奇異的狀況。
令人興奮的是，我們比以往任何時辰都更輕易探測到黑洞。曩昔，我們完全察覺不到在宇宙中穿行的引力波，而此刻，我們已經有能力傾聽到它，并借此能領會到黑洞激發的太空暴力事務。也許在不久的未來，我們會借此揭示出更多關于空間的奧秘。 |
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