一個改變人類對物理認知的概念——什麼是空間

什麼是空間

空間的歷程

想像這樣一個場景：如果把周圍的一切物體，包括所有的人群、汽車、建築物、星球、粉塵甚至是氣體分子全部移走，還剩下什麼？

直觀來看，我們能夠想像的世界應該是這樣的：

空無一物的空間

所以，正確答案看上去應該是「什麼也沒有」，可是我們的答案並不完全是對的。

因為當我們把所有的一切都移走後，剩下的是空無一物的空間，而大量的研究發現，空無一物的空間並非什麼也沒有。

空間本身就是一種事物，跟我們日常生活中的事物一樣，只不過空間的性質不易被人覺察。

事實上，空間如此真實，你可以使它彎曲，可以使它扭曲，也可以使它震蕩。

不可否認，這空蕩蕩的空間，幫助塑造了我們的這個世界，組成了宇宙的基本構造……

只有領悟了空間的真正含義，才能更好地認識我們周圍的世界。

那麼，到底什麼是空間？

絕對空間

早期，對空間本質的探索可以追溯到英格蘭物理學家、數學家、天文學家與自然哲學家艾薩克·牛頓。

艾薩克·牛頓

牛頓考慮了被繩子吊著的一桶水的運動，該實驗主要分為三個步驟：

（a）將桶吊在一根長繩上，多次旋轉水桶擰緊繩子，此刻的水面是水平的。

（b）水桶被鬆開後開始旋轉，但桶內的水還沒有跟著水桶一起旋轉，水面仍保持水平。

（c）水桶旋轉一段時間後，水桶表面的摩擦力帶動水一起旋轉，水的表面形成凹面，並逐步與水桶轉速保持一致。

這時，水和水桶之間呈相對靜止狀態。

也就是說，相對於桶，水是不動的，但水面卻仍然呈凹狀。

牛頓的水桶實驗

該現象在我們生活中顯然是成立的，並且不受周圍環境的干擾。

那麼，我們把水桶周圍所有的物體移走後該現象仍然成立。

那到底是什麼原因使得水面仍然能保持凹狀呢?

牛頓解釋為：水在相對於空間旋轉。

牛頓認為：空間就是一個空曠的舞台，它為世界萬物的發展提供了一個框架。

同時，該舞台是消極的，絕對而永恆並始終保持不變。

世界萬物不會影響空間，而空間也不會影響萬物的發展。

這就是牛頓的絕對空間。

時空

牛頓的絕對空間理論取得了巨大成功，在此基礎上發展的運動定律幾乎被應用到了各個領域。

直到20世紀上半葉，這一理論被一個工作在瑞士郵政局的小職員阿爾伯特·愛因斯坦顛覆了。

愛因斯坦的理論主要來源於對光速保持恆定的思考。

即無論我們的運動速度有多大，即使我們接近光速去運動，也並不能改變我們看到的光速大小。

愛因斯坦認為，速度是物體在空間中隨時間移動的度量單位。

既然光速保持不變，那也就說明空間與時間可以協同工作來保證這一點永遠成立。

時間與空間都不再是絕對不變，而是以一種特殊的方式相互影響與配合。

這便是我們熟悉的時間延緩與長度收縮效應。

因此，根據愛因斯坦的觀點，時間與空間不再是嚴格與絕對的。

相反，它們在運動中相互融合，並形成了一個我們所熟悉的辭彙—時空。

空間彎曲

牛頓的萬有引力理論指出：任何物體之間都有相互吸引力，這個力的大小與各個物體的質量成正比，而與它們之間距離的平方成反比，並能夠準確求解這個力的大小。

然而，萬有引力理論卻無法說明引力是如何作用於兩個物體的。

愛因斯坦對這一問題進行多年研究後發現，空間比他原來預想的更加具有可塑性，它可以像真實物體一樣伸縮。

愛因斯坦認為，當沒有任何物質與能量存在時，空間應該是平直的。

以二維空間為例，此刻的空間應該像一張光滑的桌面，如圖所示。

平直空間示意圖

而如果在該桌面中間放置一個大質量物體，則桌面會發生變形，形成一個彎曲的二維空間，如下圖所示。

彎曲空間示意圖

空間結構因大質量物體的存在而發生彎曲，空間不再僅僅是被動的宇宙活動的舞台，其形狀還反映了周圍的環境事物。

而當大質量物體附近經過一個小物體時，彎曲的空間便會影響它的運動。

如果我們給小物體以適當的速度和方向，它便可以沿著由大質量物體產生的凹陷結構運動，這便是引力的來源。

也就是說，引力並不是兩個物體之間的某種神秘力量，而不過是因為物體彎曲空間造成的。

卡西米爾效應

就在愛因斯坦從宏觀層面對空間的性質做出解釋的同時，另一群人也從微觀角度對空間的本質做了大量研究。

在微觀尺度下，即使我們移走所有的粒子，空間仍然並非空無一物，而是不斷有粒子在憑空出現，但又很快相互撞擊消亡。

1948年，一位名叫卡西米爾的科學家認為，我們可以通過實驗來觀察這些粒子對空間的影響。

亨德里克·卡西米爾

他的實驗是這樣的：假設我們把兩個普通的金屬薄片儘可能靠在一起，緊密到薄片之間無法容納其它任何事物。

那麼大量粒子便會被擠出兩個薄片之間，造成平板之間的壓力小於平板兩側的壓力，薄片將會靠攏。

也就是說，薄片可以被近乎真空的空間所吸引。

這一實驗被證明是成立的。

所以從微觀角度看，空蕩蕩的空間並非是完全沒有任何東西，空間裡面雜亂無章的粒子運動足以使物體發生移動。

圖6 卡西米爾效應

希格斯場

希格斯場以物理學家彼得·希格斯姓氏為名，是一種假定遍佈於整個空間的量子場。

1964年，希格斯為了解釋為什麼宇宙中的基本粒子具有質量以及為什麼不同的粒子具有不同的質量而提出了希格斯機制。

粒子獲得質量的機制可以形象地做如下理解。

假設空間像一個房間，房間裡面是形形色色的人，每個人都可以看成是一個粒子，當人在房間里移動的時候便獲得了質量。

可是，每個人的名氣不同，移動的阻力也就不盡相同。

對普通人而言，關注的人很少，所受阻力很小，可以在人群中自由穿行，他們的質量也就較小。

而對於某些超級巨星而言，關注的人很多，移動的阻力就大，他們也就不得不推推搡搡前進，他們的質量也就越大。

不過，儘管希格斯在1964年便提出了自己的觀點，可是直到2012年，希格斯粒子才在實驗中被發現。

希格斯因此獲得2013年諾貝爾物理學獎。

此時距離他提出希格斯場已經過去了50年，而他本人也已經84歲了。

希格斯粒子是希格斯場的振動，希格斯粒子的存在明確證實了希格斯場確實存在於空間，就好像觀察海面的波浪可以推論出大海的存在。

2013年諾貝爾物理學獎獲得者彼得·希格斯

希格斯場的證明是一個舉足輕重的里程碑，它證明了空無一物的空間具有一些基本而重要的屬性，能夠對一切物體產生影響。

暗能量

暗能量的提出在於科學家對宇宙終極命運的思考。

大多數科學家認為空間的膨脹速度會在引力的作用下逐漸變慢。

可是對宇宙的觀測結果表明，宇宙膨脹並沒有顯示出任何減慢的跡象。

相反，目前的宇宙膨脹仍在不斷加快。

也就是說，我們通常認為空無一物的空間，一直是宇宙膨脹的動力來源。

對此，科學家提出了一個觀點，有某種填充在空間中的物質抵消了引力對空間的影響，這種物質就是暗能量。

而進一步的觀測數據更是表明，暗能量竟然佔據了宇宙的70%。

也就是說，空間本身的重量佔據了宇宙總重量的70%，基本上等於地球表面被水覆蓋的面積佔地球總面積的比例。

以上描述基本總結了人類在科學發展過程中對空間認識的轉變過程。

牛頓時代的空間只是萬物表演的舞台，而到了愛因斯坦手裡，空間與物體可以相互作用。

接著卡西米爾的金屬薄片證明了空間可以使物體發生移動。

而現在，希格斯粒子和暗能量的出現，則表明絕對空虛的空間自身更是有著某些基本而重要的屬性。

當然，除去上述主流的對空間的認識，還有一種吸引人的對空間理論。

那就是全息宇宙理論。

該理論認為，你、我以及空間本身也許只是一個二維平面的信息投影。

該理論來源於人類對黑洞的研究。

一個物體被扔進黑洞後，該物體包含的所有信息會被分解然後存儲在黑洞表面，該過程十分類似於計算機的存儲原理。

理論上，我們只要使用黑洞表面的信息，便可以在黑洞外面重新解析並塑造這一物體。

最終，黑洞內的空間依然按照黑洞外的空間法則和規律運作。

所以，如果黑洞內的物體可以被黑洞表面信息所描述。

那麼，宇宙中的任何物體甚至是空間本身，也只不過是一些存儲遙遠的二維平面上的信息投射在我們眼前。

換句話說，我們在現實世界所經歷的一切，只不過是類似於全息影像的東西。

該理論是如此新穎以至於現在仍有許多人在試圖去明白它。

可以看到，空間作為我們日常生活中最常見卻又如此重要的部分，始終像一個熟悉的陌生人，直到現在我們都無法完全理解。

然而，每一次對空間的重新認識，都造成了科學的里程碑式發展。

我們有理由相信，當我們真正明白什麼是空間的那一天，我們對整個宇宙的認識將也更進一步。

本文作者：

王艷寧，男，26歲，西安交通大學在讀博士，數學物理愛好者，崇拜Dr. Sheldon Cooper！

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