漫聊合集 空間到底是個啥

我們在前面幾個小節 講了一些關於物質的謎題 包括組成宇宙的最小單元 以及它們該如何運作 可是即便我們已經理解了身邊這些有形的東西 依然有一個隱藏在背景中的謎團尚未解決 那就是空間 仔細想一想 空間到底是什麼呢 如果你去問物理學家或者哲學家 到底什麼是空間 你一定會被一堆聽起來高深 而且毫無意義的詞搞得暈頭轉向 空間是給世間萬物當背景的一片無盡的虛空嗎 它是不是用來填充物體和物體之間縫隙的呢 或者空間是某種和流動性有關的物質 就像加滿水的浴缸 什麼是空間 聽起來不是一個很難回答的問題 可是如果你嘗試挑戰自己的直覺 重新審視這個問題 你就會發現自己很難找出一個清晰的答案 大多數人把空間想象成一片空曠的場地 比如一個空蕩蕩的倉庫 基於這個觀點 空間從字面上理解就是一個靜靜呆在那裏的空洞 等待着有什麼東西來填滿 這就好比你去停車 要找一個停車的地方 這句話裏面的地方 就是人們直覺中的空間 如果你從這個概念出發 就會覺得空間即使沒有被填滿 它本身也是一個獨立的存在 如果宇宙中所有物質的組合是有限的 那麼你總能走到一個足夠遠的地方 把宇宙中所有的東西都甩到身後 到那個時候 呈現在你面前的將是絕對虛空和無盡的世界 也就是說 空間是可以無限延展的虛空世界 這種對空間的描述聽起來合情合理 也符合我們的日常經驗 然而我們要牢記之前的教訓 每當我們想當然的覺得某個事情肯定沒錯的時候 我們都應該抱着懷疑的態度退後一步 再仔細檢查一下 更重要的是 我們應該考慮那些能夠解釋同樣的現象 但機制完全不同的理論 也許我們漏掉了什麼 或者有某些相關的理論 在它的框架下 我們對宇宙的檢驗只是它的一個特例 好了 既然要重新審視空間 那我們不妨看看那些似乎合理的關於空間的理論 我們是否可以假設空間必須和物質並存呢 如果空間本身只不過是物質之間的關係呢 如果真的是這樣 那就不可能存在純粹的空間 因爲不包含物質的空間從概念上是說不通的 打個比方來說 如果你要丈量兩個粒子之間的間距 那麼你首先得有兩個粒子纔行 在沒有任何物質粒子的盡頭 間距這個概念也就沒有了 那沒有物質的地方又是什麼呢 反正不是空的空間 這個思考的角度很奇怪 它違反了我們的直覺 特別是在我們對非空間毫無概念的情況下 但是一個理論很怪異 並不代表它沒有物理學意義 到底哪一種對空間的解釋是正確的呢 空間是一個等待被填滿的無窮大的空洞 還是必須與物質共存的東西呢 事實上我們可以確定兩者都不是 空間絕對不是什麼巨大的空洞 也不僅僅作廢物質之間的關聯而存在 之所以這樣說 是因爲我們觀測到了不支持任何一種理論的現象 你看啊 當你基於現在人們觀測到的現象提出一種理論的時候 這個理論可以完美地解釋目前的現象 那這個理論就是可以用的 直到有一天有人發現了一種現象 你用現在這個理論無論怎麼樣也無法解釋 那麼無論這個理論有多完美 多麼符合人們的直覺 你也只能把這個理論放棄掉 那之所以說這兩種理論都不對 人們觀測到了什麼現象呢 他們發現空間會扭曲盪漾也會膨脹 這是什麼意思呢 如果空間本身只是一個概念 那它不應該產生彎曲或者膨脹這樣的形變 就像它不可能被切碎一樣 如果空間是用來給物體定位的尺寸 那我們應該如何測量空間本身的彎曲和膨脹呢 對大多數人來說 空間彎曲這個概念之所以令人費解 是因爲一直以來 我們都把空間腦補成一塊看不見的木鋪 你可能會把空間想象成一個劇院的舞臺 它的地板和牆壁都是硬木板做成的 這個世界上沒有什麼力量可以掰彎這樣的舞臺 因爲它是一個抽象的框架 它本身並不是宇宙的一部分 它所包含的部分纔是宇宙 很可惜啊 事情並不像人們想象的那樣 爲了能用廣義相對論那樣前衛的思想來理解空間 你必須把空間當作一個具有物理屬性的東西 而不是把它看作一個抽象的劇院舞臺 你必須努力想象空間具有的屬性和行爲 宇宙中的物質對空間會產生影響 你可以掐住空間 擠壓它 讓它彎曲甚至變形 那麼空間是一個具有物理屬性的東西 可以盪漾和彎曲 這意味着空間不是一個超級大的空房間 而更像是一大團黏黏糊糊的物體 一般情況下 物體可以在這團黏性物質裏暢遊移動 就像我們可以在充滿空氣的房間裏走來走去 而不會注意到周圍的空氣分子 但在某些特殊情況下 這團黏性物質會扭曲 這個時候穿過它的物體的運動軌跡 也會隨之發生改變 除了扭曲 它還可以收縮和盪漾 其中的物體也會隨之發生形變 用黏性物體比喻空間並不十分恰當 但這有助於我們理解這個概念 我們要明白 此時此刻所處的空間 不見得是某個固定的抽象的東西 相反 它是一個實實在在的東西 或許 一個空間的漣漪就剛剛穿過你 也可能我們正在沿着某個奇怪的方向被拉長 但我們對此一無所知 實際上 直到最近 科學家才發現 這團黏性物質一直在動來動去 而不是安靜的待在那裏 這個黏性的空間都能幹些什麼事呢 它能幹的怪事可多了 首先 它可以膨脹 這意味着 空間中的物體 即使它們沒有移動 也會距離彼此越來越遠 你可以想象 自己坐在一大團黏性物質裏 這團包裹着你的黏性物質 忽然開始膨脹 你的對面還坐着另外一個人 即使你們兩個人 相對這團黏性物質都沒有移動 你對面的人也會離你越來越遠 我們怎麼知道空間在膨脹呢 難道 我們用來測量的尺子 不會隨着空間一起膨脹嗎 的確 組成尺子的原子之間的空間也會膨脹 這些原子也會彼此遠離 假設我們的尺子 是用很軟的糖做的 那麼它會膨脹 但如果我們有一把非常堅硬的尺子 它內部的原子之間有很強的結合力 那麼 這把尺子可以維持原有的長度 利用這種尺子 我們就可以觀察空間是否膨脹了 之所以空間可以膨脹 因爲我們已經看到了這種現象 我們在前面說的暗能量 就是這樣被發現的 我們知道 宇宙在早期曾經以十分驚人的速度膨脹和擴張 這種膨脹直到今天還在繼續發生 除了膨脹 空間還可以扭曲 黏糊糊的空間就像棉花糖一樣 可以被擠壓和變形 在愛因斯坦的廣義相對論裏 空間的這種特性 正是引力的本質 空間彎曲產生了引力 如果物體有質量 那麼它周圍的空間就會扭曲變形 一旦空間發生形變 其中的物體就不再沿着設想中的軌跡運動了 在一塊被折彎的粘性物體裏 運動的棒球不再沿直線運動 它運動的方向會朝着粘性物彎曲的方向發生偏轉 如果空間被一個質量很大的物體嚴重扭曲 那麼這個棒球的軌跡甚至會變成一個環狀 就好像月球圍繞地球運動的軌道 奇妙的是 這種情況我們用肉眼就可以觀察到 比如光線在經過太陽或者暗物質團這類大質量天體時 會發生偏轉 如果引力是具有質量的物體之間的相互作用力 而不是空間彎曲的表現 那它對光子應該沒有影響 因爲光子是沒有質量的 它的質量是零 因此只有空間彎曲理論 才能解釋光子的軌跡是如何發生偏轉的 除了膨脹和彎曲 空間還可以盪漾 如果你能理解空間的伸展和彎曲 那麼盪漾這種特性你也不會覺得很離譜了 拉伸和彎曲可以在空間的這個粘性物理進行傳播 這種傳播的方式就叫做引力波 如果空間瞬間被扭曲 這種形變會像聲波或者液體中的波紋一樣向外傳遞 這隻有在空間具有某種物理屬性時纔會發生 如果空間只是一個抽象的理念或者某種虛空 那就不會產生這種現象了 我們之所以知道空間這種波動是真實的 有兩個原因 第一個原因是廣義相對論預言了它的存在 第二是因爲我們已經探測到了它的存在 在宇宙中的某個地方 兩個無法擺脫彼此的大隻倆黑洞 以瘋狂的速度互相繞轉 同時它們對周圍空間造成巨大的形變 如同水中的漣漪一般 擴散到宇宙深處 藉助高靈敏的儀器設備 位於地球上的我們 探測到了這些空間的漣漪 你可以把這種漣漪 想象成空間反覆伸展和收縮產生的波 實際上當這一漣漪經過某處時 那個地方的空間會沿着某一個方向收縮 同時沿着另一個方向膨脹 空間是一個實實在在的東西 而不僅僅是純粹的虛空 這個理念聽起來挺瘋狂的 但它來自我們的實際經驗 觀測結果明確指出 空間中物體的間距 並不是在某種隱形的抽象背景下測出來的值 而是取決於這個空間粘性物的屬性 如果你把空間想象成 具有某種物理屬性和行爲的物體 或許我們的確可以理解它的扭曲和拉伸 但這就會帶來更多的問題 比如你可能會覺得 我們以前稱爲空間的東西 應該叫做物理學粘性物 比如說叫物理膠 可是這個粘性物必然又被另一種物體包含 那麼裝着這頭粘性物的東西又變成空間了 不過根據我們已有的觀察和了解 這個容器並不是必須的 當我們談論彎曲時 這種彎曲並不是這種粘性物 相對於它所在的某種背景發生了形變 而是一種從本質上改變了空間中不同區域相關性的形變 當然了 空間不需要這個容器 並不意味着這個容器不存在 說不定在我們討論的空間之外 真的有更大的超級空間 而那纔是一片無窮無盡的虛空 是否存在這樣的情況呢 我們還不知道 再進一步追問的話 宇宙中是否存在沒有空間的區域呢 既然空間就像一團粘粘的物質 那麼會不會有些地方的空間不粘呢 會不會有些區域什麼都沒有 這些目前我們也說不清楚 所有的物理定律都是假設空間存在的 當空間不存在的時候 這些物理定律就沒有意義了 事實上 對於空間的這些新認識是人們近期纔有的 我們對空間的認知還處於初級階段 在很多方面 我們依然受困於自己的直覺 在原始人往着狩獵覓食的時候 這些直覺還是挺有用的 但是空間的本質和我們想象中的樣子差別太大了 在理解它的過程中 我們必須擺脫直覺的束縛 我們可以進一步思考 空間到底是平的還是彎的呢 如果是彎的 空間是朝哪個方向彎的呢 一旦你接受了空間可塑這個設定 一些古怪的問題也就不難回答了 如果有質量的物體會扭曲它周圍的空間 那空間會不會在整體上有一個曲率呢 換句話說 空間這塊粘性物質不是平直的 你知道觸它一下 空間就會扭曲和形變 但那會是什麼樣的形變呢 它會整體下沉嗎 還是會筆直的挺立在那 這些問題的答案 可能會極大的影響我們對宇宙的看法 舉個例子 在一個平坦的空間裏 如果你沿着某個方向一直走下去 那你可以無限的走 永遠也不會走到頭 但是在一個曲率空間裏 事情就變得有意思了 如果空間的曲率爲正 那麼你沿着某個方向一直走下去 結果就是從相反的方向回到起點 這就有點像我們在地球上朝一個方向走 最終會回到你的起點 空間的曲率這個概念不太好理解 因爲我們的大腦不擅長去想象這類東西 爲什麼空間會有曲率呢 我們在日常生活中接觸的三維空間 看起來挺穩定的呀 空間曲率到底意味着什麼呢 下面我們來花一點時間 假裝自己是生活在二維空間裏的生物 我們所在的世界就像一張薄薄的紙片 換句話說 我們只能朝前後或者左右 這兩個維度的方向移動 假設我們生活的這張紙片 是嚴格意義上的平面 它就被稱爲平坦空間 如果這張紙片因爲某些原因彎折了 那這個空間就是彎曲的 彎折這張紙的方法有兩種 一種是讓紙上的所有曲線都朝着一個方向彎曲 也就是剛纔我們說的曲率爲正 另外一種是讓這張紙上相互垂直的曲線 朝着不同的方向彎曲 你可以理解爲 所有X軸方向的曲線都向下彎曲 而所有Y軸上的曲線都向上彎曲 最終你得到的形狀就有點像一個薯片或者是饅 那下面燒腦的部分就來了 如果空間各處都是平坦的 那代表空間的這張紙片就可以向四周無限延展 但如果空間各處都具有正曲率 那它最終只有一種形狀 那就是球形 更嚴謹的說法就是球狀體 這樣一來 我們生活的空間就變成了一個封閉體 它就好像一個土豆的表面 雖然各處的曲率不盡相同 但是無論你朝哪個方向一直走下去 最終都會回到起點 這個空間一定是封閉的 那我們生活的空間到底是什麼樣呢 它是平坦的還是有曲率的 這一點科學上目前已經有了結論 空間看上去確實是平坦的 這個誤差在0.4%以內 科學家們通過兩種不同的計算方法 得出的結果是 空間的曲率非常接近於0 他們用的是哪兩種方法呢 第一種是通過測量三角形的內角之和 這一點我們在學校讀書的時候就知道 在一個平坦的空間裏 三角形的內角之和是180度 而在一個彎曲的空間裏 這個內角之和就不是180度了 科學家們採用的方法是觀測早期的宇宙 找到非常遙遠的三個點 通過研究不同地點之間的空間關係 測試的結果顯示空間是平坦的 這是第一種方法 另外一種方法是基於空間彎曲的根源 也就是宇宙的能量 廣義相對論指出 宇宙中有一部分特定的能量 會決定空間彎曲的朝向 事實上人們測量到的能量密度 恰好使得我們觀測範圍裏的空間不會被彎曲 這裏說的不會被彎曲 也就是0.4%的誤差範圍以內 說我們生活的宇宙是一個平坦的空間 這聽起來有點平淡無奇 但你仔細想一想 這件事情還真是挺巧合的 你想 既然空間的區域是由宇宙中物質和能量的多少決定的 那隻要物質和能量比現在多一點點 空間就會朝着某個方向彎曲 如果物質和能量比現在少一點點 空間又會朝着另一個方向彎曲 目前宇宙擁有的物質和能量 似乎剛好可以在我們所能觀測的範圍內 讓空間保持平坦 具體的說 這個能量密度是每立方米五個氫原子這麼密 如果每立方米六個氫原子 或者每立方米四個氫原子 那宇宙就是另外一個樣子了 更奇怪的是 空間的區域也會反過來影響物質的運動 而物質的多少又會影響空間區域的大小 這就是一個正反饋效應 也就是說 如果宇宙在早期擁有的物質稍微多一點或者少一點 那今天宇宙中所擁有的能量密度 就不會剛好維持一個平坦的空間 它會使空間越來越不平坦 我們現在看到空間是平坦的 這意味着宇宙在早期就非常非常平坦 或者存在其他的機制維持空間的平坦 這一點是空間最神祕的屬性 談到空間的本質 空間區域並不是唯一困擾我們的難題 一旦你接受了空間不一定是無窮大的空洞 它更可能是無窮大而且具有物理屬性的東西 這樣一個設定 那麼你就可以提出與之相關的各種奇怪的問題 比如 空間到底有多大 它擁有怎樣的形狀呢 大小和形狀的背後是空間的數量和分佈 剛纔我們說 既然空間是平坦的 那就意味着它可以無限延伸 對嗎 你看 這又符合直覺了 所有符合直覺的東西可不一定是對的 空間可能是平坦且無邊界的 也可能是平坦且有邊界的 空間甚至可以更奇葩 它可以是平坦而且自循環的 空間怎麼會有邊界呢 其實 平坦的空間也沒道理非得是無邊無際的 舉個例子 生活中看到的盤子 它的表面是一個二維平面 但是它也具有一個平滑連續的邊界 根據邊界處某些奇異的集合屬性 三維空間也可能有邊界 更有意思的是 平坦的空間也可以循環 這就有點像我們玩電子遊戲 比如說吃豆人 你操縱一個主人公從右面離開了畫面 這個主人公會從畫面的左側再次出現 空間也可能有類似的屬性 或許它可以通過某種我們尚未知曉的方式自我連接 廣義相對論就曾語爲蟲洞的存在 空間上相距很遠的兩個地方 就可以通過蟲洞相連 是否存在某種簡單的途徑 可以讓空間的邊界全都連接在一起呢 這一點我們就不清楚了 最後我們再來說說量子空間 就像是像素構成了電視機屏幕 空間是否可能由離散的空間小單元組成呢 還是說空間是無限平滑的 在任意兩點之間都存在着無數個點 古代科學家就沒有想過 空氣是由細小離散的分子組成的 畢竟空氣連綿不斷 可以任意充滿任意體積的局域 還自帶有趣的物理學特性 可以形成風和氣候 而現在我們知道 關於空氣的一切 比如說夏日微微拂面的涼風 還有呼吸順暢的感覺 實際上都是由數十億空氣分子綜合運動的結果 這些特性並不是單個空氣分子本身的一種屬性 關於空間也是這樣 平滑空間的理論聽起來可能更靠譜 這是因爲我們嘗試在空間中滑行 這個過程既輕鬆又連貫 沒有人會像電子遊戲裏的角色那樣 抽筋似的從一個像素點蹦到另一個像素點對吧 不過我們真的能肯定嗎 基於我們目前對宇宙的瞭解 無限平滑的宇宙反倒更令人驚訝 這是因爲我們現在知道 除了空間以外 所有的東西都可以量子化 而且量子物理學認爲存在一個量化的最小尺度 這個最小尺度大約是10的-35次方米 它被稱爲普朗克長度 從量子力學的角度看 空間應該也是可以量化的 不過還是那句話 我們不清楚到底是不是這樣 如果空間是可以量化的 那我們在空間裏移動的時候 實際上是從一堆微小單元組成的區域 蹦到了另一堆微小單元組成的區域 也就是說 空間可以看作是由節點連接成的網格 這就好比一個由地鐵站組成的線路系統 每個節點代表一個地點 而節點之間的連接代表了這些地方的相互關係 這個觀點不同於把空間僅僅看作物質之間關係的代表 因爲即便沒有物質 空間的這些節點也可以存在 這就很有意思了 因爲即便沒有物質 空間的這些節點也可以存在 它們就是那樣獨立的存在着 在這種情況下 我們所說的空間其實是這些節點之間的關係 而宇宙中所有的粒子本質上只是空間的屬性 而不是存存空間的元素 比如所有的物質都可能是空間節點的某種振動模式 這個聽上去又有點荒唐了 其實還真不是 目前的粒子理論也是基於空間中無處不在的量子場 什麼是場呢 就是空間中各處都有一個相關的數 或者一個相關的值 在粒子理論中 粒子就是場的激發態 我們剛纔所說的空間可以量化的理論 和這種觀點差不多 物理學家其實很喜歡這種腦洞大開的思路 看起來很基礎的東西 比如空間 它的原理竟然比人們想的更加深奧 甚至有些人猜測節點之間的關係源於粒子間的量子糾纏 不過這在目前也只是單純的猜想了 這一節最後給你總結一下 迄今爲止關於空間的未解之謎包括下面這麼幾個 第一 空間是個實實在在的東西 可它究竟是什麼呢 第二 我們已知的空間就是全部了嗎 在它之外是否存在某種更大的空間呢 第三 宇宙中是否存在沒有空間的區域呢 第四 空間爲什麼恰好這麼平坦呢 第五 空間是可以量化的嗎 我們最終的問題是空間到底是用來做什麼的呢 也許空間就和空氣一樣 可以擁有不同的物態 在極端的條件下 它可能會變成讓人意想不到的模樣 這就像空氣有液態氣態固態這些不同的形式一樣 我們熟悉的 喜愛的 佔用的空間所呈現的樣子 也許只是衆多形態中罕見的一種 而在宇宙中其他地方還存在着其他形態的空間 等着我們研究和掌控 想要回答這個問題 我們可以利用的最奇妙的工具 就是質量和能量扭曲空間的特性 想了解空間是什麼 以及它能變成什麼樣子 最好的方法就是在極端的條件下觀察它 比如觀察空間如何被黑洞 如果可以近距離觀察黑洞 我們就可以看到空間是如何被撕碎的 令人振奮的是 我們比以往任何時候都更有能力觀測空間的這種異常性變 之前我們還無法探測到宇宙中穿行的引力波 而現在我們已經可以探測到它了 最近人們第一次看到了真實的黑洞的照片 也許在不久的將來 我們就真的可以飛到黑洞的附近去看一看 好了 關於空間我們這一節就說到這裏 下一節我們再來說一說時間 科學星球 我們下期再見