時空真的是一種構造嗎？

引力可能是人類史上發現的第一個基本力，但在很多方面，它仍然是人們所最不充分理解的四大基本力之一。從牛頓提出萬有引力定律後，人們知道，宇宙中的任何兩個質量無論距離有多遠都存在引力作用。

當愛因斯坦提出廣義相對論時，一個偉大的進步是認識到時間和空間被合併成一個單一的實體：時空。在愛因斯坦看來，物質和能量的存在扭曲了時空構造，而彎曲的時空反過來又決定了物質是如何移動的，這就是引力產生的原因。

在很多時候，我們會看到如下的時空結構示意圖：

我們生活在三維空間中，但我們所看到的示意圖往往是二維結構。那麼，在現實中，時空真的是一種構造嗎？如果有，真正的時空構造又是怎樣的呢？

確實，彎曲的平面並不能反映我們所居住的現實世界。在很多示意圖中，我們經常會看到彎曲的二維網格圖片，它代表彎曲空間。它似乎描繪了空間的結構是由質量的存在而彎曲的，因此，任何沿著這個結構運動的物體都有加速靠近引力源的趨勢。質量越大，越靠近它，曲率越大，彎曲程度越大。

至少從直覺上看，這似乎是在過去近100年里，通過實驗和觀察來驗證廣義相對論的結果。從當年日全食時的背景星光彎曲到今天的引力透鏡效應，至少從定性上看，這樣的空間描繪似乎與實際情況是一致的。

但這樣的描繪究竟暗示了什麼呢？如果空間像一種構造，那麼，質量是如何彎曲空間的呢？

從二維圖片來看，這就像一個物體在某種程度上把空間構造往「下」拉，然後其他的物體穿過這個空間就會被一些看不見的力向「下」拉。很明顯，這是不對的，因為根本就沒有外部引力在起作用。此外，網格線遠離而不是朝向質量，這也不可能是正確的，特別是如果引力具有吸引性。

根據廣義相對論的引力場方程，引力其實是一種幾何效應。雖然這種相當然的可視化肯定是錯誤的，但這種觀點認為，質量-能量會彎曲空間是正確的。

我們可以通過正確的空間維度（三維）來做出更好的空間彎曲可視化。想像一下，有一個完全空無的空間。附近沒有質量、輻射、暗物質、暗能量、中微子，或者其他任何可能導致這個空間彎曲的東西，所以這個完全空無的空間沒有固有曲率。

或者也可以這麼來想像一下，空間是平的、靜態的和空的。如果我們堅持要繪製一個網格，三維空間構造看起來應該是下圖這樣子：

現在，讓我們在這個時空里放一個質量。該質量會使時空彎曲，但它實際上並不是一種構造：它只是構成空宇宙本身的虛無。廣義相對論的方程告訴我們這個曲率是如何產生效應的，但是它們並沒有告訴我們如何去可視化它。

一個很好的方法是畫出網格線，就好像它們代表了一個負能量的、無壓力的塵埃粒子所受到的力。粒子所受到的力越大，時空曲率就越大。如果我們把它畫出來，我們會得到一個非常不同的，可能更有用的景象，如下圖所示：

這種景象的最大問題是它很難畫出來。值得慶幸的是，隨著計算機動畫的出現，我們可以想像空間本身是如何彎曲的，即使是運動中的物體。

事實上，空間不是一種構造，而是佔據了整個宇宙。簡單來說，時空就是：當我們把宇宙中所有的東西都拿走的時候，它就剩下了我們可以拿走的東西。當我們把像質量這樣的東西放在宇宙中，時空仍然在那裡，但是它的屬性被它內部的東西改變了。如果放入的質量越大，時空就越彎曲。

但在某種程度上，我們可以把空間看成是一種構造。但如果這樣做了，我們要意識到，這蘊含著把視角降低到一種二維類比。我們宇宙中的空間是三維的，當把空間和時間結合起來，就會得到一個四維的量。當涉及到時空曲率的概念時，這就是廣義相對論所指代的。

但在任何情況下，我們都不應該把空間想像成物質，空間並非任何實體物質。這只是一種數學結構，我們可以把它寫下來，用引力場方程來描述。雖然物質和輻射以引力場方程預測的精確方式對空間曲率做出了反應，但這並不意味著空間實際上是一種構造。

此外，很多時候我們還會討論在「空間構造拉伸」背景下的膨脹宇宙，儘管沒有構造，也沒有真正的拉伸。現在的情況是，在廣義相對論看來，宇宙中任意兩點之間的距離是根據一組特定的規則而變化的。星系就像嵌在麵包里的葡萄乾一樣，相互遠離。輻射的波長也變長了，好像波峰和波谷的長度也在不斷膨脹。

但在現實中，沒有任何構造導致了膨脹。在葡萄乾/麵包的類比中，葡萄乾（星系）是真實存在的，但是麵包（空間的構造）只是一個形象化的東西。

在所有的物理學中，最矛盾的想法之一是，描述宇宙的方程式就是：描述我們可以在物理上觀察到的事物的方程式。我們不能觀察到「空間的構造」，而不是觀察到空無時空中是虛無的，它只是存在。任何我們試圖賦予它的視覺效果，無論是二維的結構，三維的網格，還是一個葡萄乾/麵包結構，都是由人類的認知所創造出來的，理論本身並不需要它。

然而，我們可以觀察到的是存在於這個空間中的實體——物質和輻射。這些是我們可以測量的實體，它們的行為使我們能夠測試愛因斯坦的廣義相對論。我們在接受數學是什麼的方面做得並不好，所以我們選擇用類比來幫助我們描繪宇宙中正在發生的事情。我們可以觀察到廣義相對論的可測量結果，而不是時空的實際結構，即使它是由潛在的理論本身所預測的。

在這方面，所有的類比都有局限性和缺陷。廣義相對論告訴我們宇宙是如何以一種特定的方式來分布物質和能量，這與我們的觀察是一致的。我們可以選擇以任何對我們最有意義的方式來可視化它，但是所有的可視化都是有缺陷的。我們所能做的最好的事情就是試著去理解宇宙，儘管實際情況可能令人十分困惑，但這就是現實。

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