什么是空间

空间的历程

想象这样一个场景：如果把周围的一切物体，包括所有的人群、汽车、建筑物、星球、粉尘甚至是气体分子全部移走，还剩下什么？

直观来看，我们能够想象的世界应该是这样的：

所以，正确答案看上去应该是“什么也没有”，可是我们的答案并不完全是对的。

因为当我们把所有的一切都移走后，剩下的是空无一物的空间，而大量的研究发现，空无一物的空间并非什么也没有。

空间本身就是一种事物，跟我们日常生活中的事物一样，只不过空间的性质不易被人觉察。

事实上，空间如此真实，你可以使它弯曲，可以使它扭曲，也可以使它震荡。

不可否认，这空荡荡的空间，帮助塑造了我们的这个世界，组成了宇宙的基本构造……

只有领悟了空间的真正含义，才能更好地认识我们周围的世界。

那么，到底什么是空间？

   绝对空间   

早期，对空间本质的探索可以追溯到英格兰物理学家、数学家、天文学家与自然哲学家艾萨克·牛顿。

艾萨克·牛顿

牛顿考虑了被绳子吊着的一桶水的运动，该实验主要分为三个步骤：

（a）将桶吊在一根长绳上，多次旋转水桶拧紧绳子，此刻的水面是水平的。

（b）水桶被松开后开始旋转，但桶内的水还没有跟着水桶一起旋转，水面仍保持水平。

（c）水桶旋转一段时间后，水桶表面的摩擦力带动水一起旋转，水的表面形成凹面，并逐步与水桶转速保持一致。

这时，水和水桶之间呈相对静止状态。

也就是说，相对于桶，水是不动的，但水面却仍然呈凹状。

牛顿的水桶实验

该现象在我们生活中显然是成立的，并且不受周围环境的干扰。

那么，我们把水桶周围所有的物体移走后该现象仍然成立。

那到底是什么原因使得水面仍然能保持凹状呢?

牛顿解释为：水在相对于空间旋转。

牛顿认为：空间就是一个空旷的舞台，它为世界万物的发展提供了一个框架。

同时，该舞台是消极的，绝对而永恒并始终保持不变。

世界万物不会影响空间，而空间也不会影响万物的发展。

这就是牛顿的绝对空间。

   时空   

牛顿的绝对空间理论取得了巨大成功，在此基础上发展的运动定律几乎被应用到了各个领域。

直到20世纪上半叶，这一理论被一个工作在瑞士专利局的小职员阿尔伯特·爱因斯坦颠覆了。

爱因斯坦的理论主要来源于对光速保持恒定的思考。

即无论我们的运动速度有多大，即使我们接近光速去运动，也并不能改变我们看到的光速大小。

爱因斯坦认为，速度是物体在空间中随时间移动的度量单位。

既然光速保持不变，那也就说明空间与时间可以协同工作来保证这一点永远成立。

时间与空间都不再是绝对不变，而是以一种特殊的方式相互影响与配合。

这便是我们熟悉的时间延缓与长度收缩效应。

因此，根据爱因斯坦的观点，时间与空间不再是严格与绝对的。

相反，它们在运动中相互融合，并形成了一个我们所熟悉的词汇—时空。

   空间弯曲   

牛顿的万有引力理论指出：任何物体之间都有相互吸引力，这个力的大小与各个物体的质量成正比，而与它们之间距离的平方成反比，并能够准确求解这个力的大小。

然而，万有引力理论却无法说明引力是如何作用于两个物体的。

爱因斯坦对这一问题进行多年研究后发现，空间比他原来预想的更加具有可塑性，它可以像真实物体一样伸缩。

爱因斯坦认为，当没有任何物质与能量存在时，空间应该是平直的。

以二维空间为例，此刻的空间应该像一张光滑的桌面，如图所示。

平直空间示意图

而如果在该桌面中间放置一个大质量物体，则桌面会发生变形，形成一个弯曲的二维空间，如下图所示。

弯曲空间示意图

空间结构因大质量物体的存在而发生弯曲，空间不再仅仅是被动的宇宙活动的舞台，其形状还反映了周围的环境事物。

而当大质量物体附近经过一个小物体时，弯曲的空间便会影响它的运动。

如果我们给小物体以适当的速度和方向，它便可以沿着由大质量物体产生的凹陷结构运动，这便是引力的来源。

也就是说，引力并不是两个物体之间的某种神秘力量，而不过是因为物体弯曲空间造成的。

   卡西米尔效应   

就在爱因斯坦从宏观层面对空间的性质做出解释的同时，另一群人也从微观角度对空间的本质做了大量研究。

在微观尺度下，即使我们移走所有的粒子，空间仍然并非空无一物，而是不断有粒子在凭空出现，但又很快相互撞击消亡。

1948年，一位名叫卡西米尔的科学家认为，我们可以通过实验来观察这些粒子对空间的影响。

亨德里克·卡西米尔

他的实验是这样的：假设我们把两个普通的金属薄片尽可能靠在一起，紧密到薄片之间无法容纳其它任何事物。

那么大量粒子便会被挤出两个薄片之间，造成平板之间的压力小于平板两侧的压力，薄片将会靠拢。

也就是说，薄片可以被近乎真空的空间所吸引。

这一实验被证明是成立的。

所以从微观角度看，空荡荡的空间并非是完全没有任何东西，空间里面杂乱无章的粒子运动足以使物体发生移动。

图6 卡西米尔效应

   希格斯场   

希格斯场以物理学家彼得·希格斯姓氏为名，是一种假定遍布于整个空间的量子场。

1964年，希格斯为了解释为什么宇宙中的基本粒子具有质量以及为什么不同的粒子具有不同的质量而提出了希格斯机制。

粒子获得质量的机制可以形象地做如下理解。

假设空间像一个房间，房间里面是形形色色的人，每个人都可以看成是一个粒子，当人在房间里移动的时候便获得了质量。

可是，每个人的名气不同，移动的阻力也就不尽相同。

对普通人而言，关注的人很少，所受阻力很小，可以在人群中自由穿行，他们的质量也就较小。

而对于某些超级巨星而言，关注的人很多，移动的阻力就大，他们也就不得不推推搡搡前进，他们的质量也就越大。

不过，尽管希格斯在1964年便提出了自己的观点，可是直到2012年，希格斯粒子才在实验中被发现。

希格斯因此获得2013年诺贝尔物理学奖。

此时距离他提出希格斯场已经过去了50年，而他本人也已经84岁了。

希格斯粒子是希格斯场的振动，希格斯粒子的存在明确证实了希格斯场确实存在于空间，就好像观察海面的波浪可以推论出大海的存在。

2013年诺贝尔物理学奖获得者彼得·希格斯

希格斯场的证明是一个举足轻重的里程碑，它证明了空无一物的空间具有一些基本而重要的属性，能够对一切物体产生影响。

   暗能量   

暗能量的提出在于科学家对宇宙终极命运的思考。

大多数科学家认为空间的膨胀速度会在引力的作用下逐渐变慢。

可是对宇宙的观测结果表明，宇宙膨胀并没有显示出任何减慢的迹象。

相反，目前的宇宙膨胀仍在不断加快。

也就是说，我们通常认为空无一物的空间，一直是宇宙膨胀的动力来源。

对此，科学家提出了一个观点，有某种填充在空间中的物质抵消了引力对空间的影响，这种物质就是暗能量。

而进一步的观测数据更是表明，暗能量竟然占据了宇宙的70%。

也就是说，空间本身的重量占据了宇宙总重量的70%，基本上等于地球表面被水覆盖的面积占地球总面积的比例。

以上描述基本总结了人类在科学发展过程中对空间认识的转变过程。

牛顿时代的空间只是万物表演的舞台，而到了爱因斯坦手里，空间与物体可以相互作用。

接着卡西米尔的金属薄片证明了空间可以使物体发生移动。

而现在，希格斯粒子和暗能量的出现，则表明绝对空虚的空间自身更是有着某些基本而重要的属性。

当然，除去上述主流的对空间的认识，还有一种吸引人的对空间理论。

那就是全息宇宙理论。

该理论认为，你、我以及空间本身也许只是一个二维平面的信息投影。

该理论来源于人类对黑洞的研究。

一个物体被扔进黑洞后，该物体包含的所有信息会被分解然后存储在黑洞表面，该过程十分类似于计算机的存储原理。

理论上，我们只要使用黑洞表面的信息，便可以在黑洞外面重新解析并塑造这一物体。

最终，黑洞内的空间依然按照黑洞外的空间法则和规律运作。

所以，如果黑洞内的物体可以被黑洞表面信息所描述。

那么，宇宙中的任何物体甚至是空间本身，也只不过是一些存储遥远的二维平面上的信息投射在我们眼前。

换句话说，我们在现实世界所经历的一切，只不过是类似于全息影像的东西。

该理论是如此新颖以至于现在仍有许多人在试图去明白它。

可以看到，空间作为我们日常生活中最常见却又如此重要的部分，始终像一个熟悉的陌生人，直到现在我们都无法完全理解。

然而，每一次对空间的重新认识，都造成了科学的里程碑式发展。

我们有理由相信，当我们真正明白什么是空间的那一天，我们对整个宇宙的认识将也更进一步。

本文作者：

王艳宁，男，26岁，西安交通大学在读博士，数学物理爱好者，崇拜Dr. Sheldon Cooper！