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空间非你所想象

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。

但天文学观测表明,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、液态或固态下有不同表现一样。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。

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