宇宙空间是什么？它恐怕没你想得那么简单。

在古罗马期间，有人问思惟家圣·奥古斯丁时候是什么，他回覆说：“你不问我，我原本很清晰地知道它是什么，你问我，我倒感觉茫然了。”

空间也是如许。

空间是什么？这听起来像是一个简单的问题。可是若是你当真地审阅这个问题，会发现你很难找到一个清楚的谜底。下面，我们就来具体地切磋一下。

空间，它是什么？

一种不雅点认为，空间就是空虚，一个空着的处所，是宇宙中各类工作发生的舞台，不需要任何物质就可以存在，所以它可以无限地延长下去。例如，想象你在宇宙中不竭前行，直到某个处所你发现除了你以外，没有任何物质。此时，你面临的就是一片纯粹的空间。

另一种不雅点认为，空间是一种物质之间的关系，就像“林间有块空位”、“宇宙中有浮泛”，都是指具体物质之间的状况。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，哪个不雅点是对的？

事实证实，空间都不是这些。我们之所以如许说，是因为空间可以做出很多违反我们常识的工作。好比，我们不雅察到空间可以弯曲、膨胀，以及发生涟漪。若是空间是一个空虚，那么它就不克不及被弯曲或膨胀。若是空间只是权衡物质之间的关系，那么关系自己怎么会发生弯曲或膨胀呢？

之所以会呈现这种问题，原因是年夜大都人在想到空间时，脑海中发生的是一种我们日常糊口中已有的空的不雅念。但按照爱因斯坦提出的广义相对论，我们必需抛却空间是空的概念，而接管它是一种实体的事实。

空间果冻，你在里面游动

按照广义相对论，为了更直不雅一些，我们把空间比方当作一团庞大的果冻。这个空间果冻能做什么？事实证实，它可以做良多奇异的工作。

起首, 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猛烈的膨胀，宇宙在10的几十次方分之1秒的刹时便增年夜了好几十个数目级。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，有质量的物体味使四周的空间发生弯曲，而引力就是空间弯曲的表现。

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活动。若是棒球颠末某些年夜质量物体四周时，它活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。

天文学家早已不雅测到，光线在太阳或暗物质等天体的四周穿过时，因引力的感化会发生弯曲。若是引力只是物体之间的感化力，而不是空间的弯曲，那么它就不克不及拉动没有质量的光子。独一能诠释光线发生弯曲的法子，是空间自己发生了弯曲。

最后，我们还知道空间可以发生涟漪，这就是引力波。你可以把这些引力波想象当作一波空间的拉伸和压缩。若是你俄然造当作空间的一种扭曲，这种扭曲就会像声波或水波一样，标的目的别传播出去，就像把果冻碰一下，它会波动一样。

在2015年9月，我们初次探测到了引力波。在宇宙的某个处所，两个黑洞在互相扭转时彼此接近，并最终归并在一路，这个过程中，它们会标的目的外辐射出较强的引力波。借助美国的激光干与引力波天文台，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。不外，你可能会想说，我们以前称之为空间的工具此刻应该被称为空间果冻，而这个空间果冻必需坐落于某种区域内，我们此刻可以把这种区域称为空间。可是物理学家却认为，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工具发生了弯曲，而是它相对于自身发生了弯曲，是空间各个部门之间的关系发生了改变。

可是，我们说空间不需要坐落于任何区域之内，并不料味着它就没有坐落于某个区域之内。也许我们所说的空间，现实上是处于在更年夜的“超空间”里。但事实若何，还无人知晓。

有没有可能，宇宙的某个部门没有空间？这些问题很难回覆清晰，因为我们所有的物理心猿意马律都假设空间是存在的，那么什么样的心猿意马律可以在空间不存在的环境下运行呢？我们完全不知道。

空间是平展的吗？

整个空间是平的仍是弯曲的？若是是弯曲的，它是如何弯曲的？

这些问题对我们宇宙的布局有着决议性的影响，但诠释起来很是坚苦。不外，我可以采用一种形象化的方式，那就是假装我们糊口在一个二维宿世界里，就像被困在一张纸上一样。

若是我们糊口的纸是完全平直的，我们说空间是平的，其曲率为零。

若是纸发生了弯曲，则有两种环境。它可以标的目的着一个偏向弯曲，这种弯曲具有正的曲率；或者，它可以标的目的着多个分歧偏向弯曲，像马鞍或薯片那样，这种弯曲具有负的曲率。

若是空间在任何处所都是平的，那就意味着空间可能会无限地延长下去。你往一个偏向走，你可以一向走下去。但若是我们发现空间在任何处所都有一个正曲率，那么只有在一种环境下才能让我们一向走下去——空间是球形或椭球型的环境，好比一个土豆的概况。若是我们都糊口在一个半斤八两于土豆概况的三维空间里，那么朝一个偏向走下去，你可能会从一个相反偏向回到本来的位置上！这个信息很有效，例如，你可以借此做个恶作剧。

但天文学不雅测表白，我们宇宙的空间看起来是“很是平展的”。科学家是经由过程两种方式计较出宇宙空间曲率的。

一个方式是测量三角形。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年夜于180度，负曲率的要小于180度。科学家经由过程不雅察宇宙各个期间的图像，并研究图像中分歧点之间的空间关系，发现我们宇宙中的三角形内角之和根基上等于180度，所以说我们的空间是平展的。

另一种体例是经由过程不雅察能引起空间弯曲的工具——宇宙中所有的能量和物质的密度。按照广义相对论，在一个膨胀的宇宙中，若是宇宙的密度接近某个临界值时，空间就是平展的；若是年夜于这个临界值时，空间就会具有正的曲率，能量和物质可战胜宇宙膨胀的趋向，宇宙最终会遏制膨胀并起头坍缩；若是小于这个临界值时，空间就会具有负的曲率，宇宙会永远地膨胀下去。事实证实，我们测到的宇宙的密度，正好能让我们的空间连结平展。

不外请不要对糊口在一个平展宇宙中而感应掉望，因为据我们所知，我们糊口在一个平展的宇宙中是一个天年夜的巧合，因为宇宙的密度只要发生一点点的改变，宇宙就会不再平展。不雅测显示，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展了。

我们的宇宙是怎么连结平展的呢？为什么会如许的？这是关于空间的一个最年夜谜团之一。

空间有没有鸿沟？

你可能会认为，既然我们的空间是平展的，而不是像土豆或马鞍（或马鞍上的土豆）那样，那就意味着它必需永远继续如许延长下去，对吧？

这可纷歧心猿意马！空间可所以平展的，也可所以无限的。或者，它可所以平展的，但有一条边。现实上，没有任何理论告诉我们空间不许拥有鸿沟。也许，我们的三维空间也有一个鸿沟，在它的边缘会有一些奇异的几何性质。

更有趣的可能是，空间是平展的，并且鸿沟还能“首从头至尾相接”。这就像你在玩某些视频游戏（如吃豆人游戏）的时辰，若是你超越屏幕的一个鸿沟，你会在另一鸿沟上呈现。空间也许可以或许以近似这种体例与自身毗连。

那么这是怎么发生的呢？也许虫洞能给我们一些启迪。虫洞是广义相对论预言的一种时空地道，两个相距遥远的分歧的点可以借助虫洞毗连起来。若是空间的鸿沟都以相似的体例毗连在一路，也许就能发生“首从头至尾相接”的结果。

把空间量子化

空间事实是由什么组成的？空间是由很多细小的布局单位组成的，就像电视屏幕上的像素那样？或者，空间是无限滑腻，你可以无限地放年夜下去，但它始终会连结着持续滑腻的布局？

无限滑腻的空间对我们来说似乎更合理一些。究竟结果，我们不是像视频游戏脚色在屏幕上移动时那样，一个像素地一个像素地移动的。

不外，古代的科学家也曾认为空气是持续的，然而事实上，空气是由细小的离散分子构成的。近似地，空间也可能是由细小的离散布局构成的。并且，考虑到我们此刻对宇宙的理解，空间更有可能是由很多细小的布局单位组成的，即空间可所以量子化的。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，存在着一种最小深奥无极长度，叫做普朗克长度，年夜约为10-35米。所以，空间量子化是很有事理的。

若是空间是量子化的，那当我们穿过空间的时辰，我们现实上是从一个位置跨过一小段距离跳到另一个位置上。一些物理学家还猜测，按照这个量子化的思绪，空间其实是这些节点（空间量子，即空间的最小单元）毗连起来的一种收集，每个节点暗示一个位置，节点之间的毗连暗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。若是你领会相关的量子场理论的话，那么这个不雅点听起来就不那么疯狂。事实上，宇宙中布满了各类场，好比电子场、光子场、希格斯场等，而我们所熟悉的每一个粒子只不外是这些场的一个局域的小振动。

一些人还思疑，节点之间的毗连其实是由量子纠缠发生的，但这个设法只是一群喜好熬夜奋战的理论学家所做的一个数学猜测。

空间的更深一层奥秘

若是空间是一种物理实体，而不是布景或框架，有一些动态的特征，好比可以弯曲，可发生涟漪，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，也许它有分歧的状况和阶段。在极端的前提下，也许它可以以意想不到的体例来组合出本身，或者有更意想不到的特征，就像空气在气态、液态或固态下有分歧表示一样。也许我们所知的空间只是一种罕有形式的空间，宇宙中还有其他类型的空间，只是等着我们来弄清晰若何缔造和把持它们。

为了领会空间是什么以及它能做什么，我们最好的法子是，细心不雅察宇宙中最为极端的空间形变——黑洞。若是我们能探测到黑洞四周的空间，也许能看到一些关于空间最为奇异的状况。

令人兴奋的是，我们比以往任何时辰都更轻易探测到黑洞。曩昔，我们完全察觉不到在宇宙中穿行的引力波，而此刻，我们已经有能力倾听到它，并借此能领会到黑洞激发的太空暴力事务。也许在不久的未来，我们会借此揭示出更多关于空间的奥秘。

发表于 2018-04-04 00:00
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宇宙空间是什么？它恐怕没你想得那么简单。

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