空间是什么?

一个sk一群物理学家和哲学家来定义“空间”,你可能会陷入了长时间的讨论,涉及测深但无意义的词组合,如“时空的结构本身就是一个量子熵概念的物理表现普遍自然交织在一起的位置。”再想想，也许你应该避免在哲学家和物理学家之间展开深入的对话。

难道空间只是万物背后无限的空虚吗?还是空虚之间的东西吗?如果空间不是这两者之一，而是一个可以到处晃动的物理物体，就像一个装满水的浴缸?

事实证明，空间的本质本身就是宇宙中最大、最奇怪的谜团之一。所以准备好，因为事情将要…整个人昏昏沉沉的。

太空，它是一个东西

像许多深奥的问题一样，“什么是空间”这个问题一开始听起来很简单。但如果你挑战自己的直觉，重新审视这个问题，你会发现很难找到明确的答案。

大多数人认为，空间只是发生事情的空无一物，就像一个空荡荡的大仓库或一个剧院舞台，宇宙的事件在上面上演。在这个观点中，空间就是缺乏的东西．这是一种等待填补的空虚，就像“我为甜点节省了空间”或“我找到了一个很棒的停车位”。

如果你遵循这个概念，那么空间就是不需要任何物质来填充它就能独立存在的东西。例如，如果你想象宇宙中物质的数量是有限的，你可以想象旅行到很远的地方，到达一个没有更多物质的点，宇宙中的所有物质都在你身后。¹你会面对纯粹的空白空间，在那之外，空间可能会延伸到无限。在这个观点中，空间是永远延伸的空虚。

这样的东西存在吗?

这幅太空图是合理的，似乎符合我们的经验。但历史给我们的一个教训是，任何时候我们认为某事是明显正确的(例如，地球是平的，或吃很多女童子军饼干对你有好处)，我们都应该持怀疑态度，并后退一步仔细检查。不仅如此，我们还应该考虑那些描述同样经历的截然不同的解释。也许有些理论我们还没想过。或者也有相关的理论认为我们对宇宙的体验只是一个奇怪的例子。有时困难的部分是识别我们的假设，特别是当它们看起来很自然和直接的时候。

在这种情况下，关于太空可能是什么，还有其他听起来合理的想法。如果没有物质空间就不存在呢的关系之间有关系吗?在这个观点中，你不可能有纯粹的“空空间”，因为在最后一块物质之外的任何空间的概念都没有任何意义。例如，你不能测量两个粒子之间的距离如果你没有任何粒子。“空间”的概念将在没有物质粒子留下来定义它的时候结束。除此之外还有什么呢?非空空间。

这是一种相当奇怪和违反直觉的思考空间的方式，特别是考虑到我们从未体验过非空间的概念。但奇怪从来不会阻碍物理学的发展，所以请保持开放的心态。

地点在哪个空间?

以下关于空间的观点哪一个是正确的?空间就像一个等待被填补的无限虚空吗?还是说它只存在于物质的环境中?

事实证明，我们很确定空间不是这两种东西。空间是绝对不毫无疑问，这是一种空虚不只是物质之间的关系。我们知道这一点，因为我们已经看到太空做的事情不符合这两种想法。我们观察了空间弯曲，起伏，膨胀．

这时你的大脑会想:“什么……?”

如果你注意了，当你读到“空间弯曲”和“空间扩张”时，你应该会有点困惑。这是什么意思呢?这有什么意义呢?如果空间是一种理念，那么它就不能弯曲或扩张，就像它不能被切成小块，然后用香菜sautéed。²如果空间是测量物体位置的尺子，那么如何测量空间的弯曲和膨胀呢?

好问题!空间弯曲的概念之所以如此令人困惑，是因为我们大多数人在成长的过程中，脑海中都有这样一幅画面:空间是发生事情的一个无形背景。也许你会把空间想象成我们之前提到过的
剧场舞台，用硬木板做
地板，四周都是坚硬的墙壁。也许你会想象
宇宙中没有任何东西可以弯曲这个舞台因为这个抽象的框架不是宇宙的一部分而是包含宇宙。

不幸的是，这正是你脑海中出现问题的地方。为了理解广义相对论并思考现代的空间概念，你必须放弃把空间作为一个抽象阶段的想法，而接受它是一个身体的事情．你必须想象空间有特性和行为，它会对宇宙中的物质做出反应。你可以捏住空隙，挤一点，是的，甚至可以在里面放上香菜。^3.

这时，你的大脑可能在听"# @ # $ ? ! ? !“胡说警报。这完全可以理解。准备容忍我们吧，因为真正的疯狂还没有到来。等我们完事了，你的警报就会失效。但我们需要仔细解读这些概念，以理解这里的想法，并欣赏关于太空的真正奇怪和基本的未解之谜。

Space Goo，你在里面游泳

空间怎么可能是一个物理的东西，波纹和弯曲，这意味着什么?

这意味着空间不像一个空房间(一个非常大的房间)，它更像一个巨大的粘稠物。通常情况下，物体在粘性物中移动没有任何问题，就像我们可以在充满空气的房间中移动而不会注意到所有的空气颗粒。但在某些情况下，这种粘性物质会弯曲，改变物质在其中的移动方式。它还可以挤压和制造波浪，改变内部物体的形状。

这种粘性物(我们将其称为“空间粘性物”)并不是空间本质的完美类比，但它能够帮助你想象你现在所处的空间并不一定是固定和抽象的。⁴相反，你是坐在水泥里的事情，那个东西可以以你可能觉察不到的方式拉伸、抖动或扭曲。

也许有一股空间涟漪刚刚从你身边掠过。或者，也许我们现在正被拉伸到一个奇怪的方向，而我们甚至还不知道。事实上，直到最近我们才注意到粘性物除了呆在那里，哪儿也不去，这就是为什么我们将其与“虚无”相混淆。

那么这个空间能做什么呢?事实证明它可以做很多奇怪的事情。

首先，空间可以扩张。让我们仔细思考一下空间扩张意味着什么。这意味着物体之间的距离越来越远而不是在粘稠物中移动．在我们的类比中，想象你坐在粘性物质中，突然粘性物质开始增长和膨胀。如果你坐在另一个人的对面，那个人就会离你更远，而你们都没有相对于粘性物移动。

我们怎么知道粘性物质膨胀了呢?我们就不用尺子来测量粘性物质了也扩大?没错，尺子中所有原子之间的空间会膨胀，将它们分开。如果我们的尺子是用超软的太妃糖做的，它也会膨胀。但如果你使用一个刚性的尺子，它的所有原子会紧紧地抓住彼此(通过电磁力)，而尺子会保持相同的长度，让你注意到更多的空间被创造出来。

我们知道空间可以膨胀，因为我们有见过它在膨胀——暗能量就是这样被发现的。我们知道，早期的宇宙空间以惊人的速度膨胀和伸展，类似的膨胀今天仍在发生。

我们也知道空间可以弯曲．我们的粘稠物可以像太妃糖一样被压扁和变形。我们知道这一点，因为在爱因斯坦的广义相对论中引力就是:空间的弯曲。⁵当一个物体有质量时，它会导致它周围的空间扭曲并改变形状。

当空间改变形状时，物体不再像你最初想象的那样在其中移动。棒球穿过一团弯曲的粘稠物时，不会沿直线运动，而是会随之弯曲。如果粘性物质被重物严重扭曲，比如保龄球，棒球甚至会绕着它转一圈，就像月球绕着地球转，地球绕着太阳转一样。

这是我们可以用肉眼看到的东西!例如，光在经过像太阳这样的大质量物体或巨大的暗物质团时，会弯曲路径。如果引力只是有质量的物体之间的作用力，而不是空间的弯曲，那么它就不能拉光子，因为光子没有质量。解释光的路径如何弯曲的唯一方法是空间本身是否弯曲。

最后，我们知道空间可以涟漪．这并不是太牵强，因为我们知道空间可以拉伸和弯曲。但有趣的是拉伸和弯曲可以传播穿越我们的空间;这被称为引力波。如果你引起空间的突然扭曲，这种扭曲就会像声波或液体中的波纹一样向外辐射。这种行为只有在空间具有一定的物理性质，而不仅仅是一个抽象的概念或纯粹的空的情况下才会发生。

我们知道这种波纹行为是真实的，因为(a)广义相对论预测了这些波纹，(b)我们实际上已经感觉到这些波纹。在宇宙的某个地方，两个巨大的黑洞被锁定在一场疯狂的旋转中，当它们旋转时，它们在空间中造成了巨大的扭曲，并向外辐射到空间中。使用非常敏感的设备，我们在地球上探测到了这些空间涟漪。

你可以把这些涟漪想象成空间拉伸和压缩的波。实际上，当一个空间波纹通过时，空间在一个方向收缩，在另一个方向扩张。

这听起来Ridic-goo-lous。你确定吗?

虽然这听起来很疯狂，但这是我们对宇宙的体验告诉我们的。我们的实验观察清楚地表明，空间中物体之间的距离并不是在一个看不见的抽象背景下测量的，而是取决于我们生活在其中、吃饼干和切香菜时所处的空间粘性物质的属性。

但是，当把空间看作具有物理属性和行为的动态事物时，也许可以解释一些奇怪的现象，比如空间弯曲和拉伸，但这只会导致更多的问题。

例如，你可能会说，我们过去称之为空间的东西现在应该称为物理粘粘物(“phgoo”)，但这种粘粘物必须如此在某种东西，我们现在又可以称之为空间。这很聪明，但据我们所知(到目前为止还不是很远)，粘性不需要出现在其他任何东西中。当它弯曲时，这是内在的弯曲这改变了空间部分之间的关系，而不是粘性物相对于它所填充的更大空间的弯曲。

只是因为我们的太空黏糊糊的需要坐在别的东西里面并不意味着它就是不坐在别的东西里面。也许我们所谓的空间实际上位于某个更大的“超空间”中。⁶也许那个超空间就像一个无限的虚空，但我们不知道。

有可能存在没有空间的宇宙吗?换句话说，如果空间是一种粘性物质，那么是否有可能存在非粘性物质，或者没有粘性物质?这些概念的意义不是很清楚，因为我们所有的物理定律都假定空间的存在，那么什么定律可以在空间之外运行呢?我们不知道。

事实上，这种对空间的新理解是最近才出现的，我们才刚刚开始理解什么是空间。在许多方面，我们仍然受到直觉观念的束缚。当早期的男人和女人在狩猎和寻找史前香菜的时候，这些观念很适合我们，但我们需要打破这些观念的束缚，意识到空间与我们想象的非常不同。

关于弯曲空间的直接思考

如果你的大脑还没有被这些黏糊糊的空间弯曲概念所伤害，这里有另一个关于空间的谜题:空间是平的还是弯曲的(如果它是弯曲的，它是朝哪个方向弯曲的)?

这些都是疯狂的问题，但一旦你接受了空间是可塑的这个概念，就不难问了。如果空间可以在
有质量的物体周围弯曲，它是否会有一个整体的曲率?这就像问我们的黏液是不是平的:你知道如果你推它上的任何一点，它会抖动和变形，但它是否会整体下垂?还是坐得笔直?你也可以问这些关于太空的问题。

回答这些关于太空的问题将对我们对宇宙的认识产生巨大的影响。例如，如果空间是平坦的，这意味着如果你永远沿着一个方向运动你就可以一直走，可能一直走到无穷大。

但如果空间是弯曲的，那么可能会发生其他有趣的事情。如果空间总体上是正的曲率，那么朝着一个方向走可能会让你绕圈，从相反的方向回到同一个点!这是有用的信息，例如，如果你不喜欢有人在背后偷偷接近你。

解释弯曲空间的概念是非常困难的，因为我们的大脑根本无法很好地想象这些概念。为什么会这样?我们日常生活中的大多数经历(比如躲避捕食者或寻找钥匙)都是在处理一个看起来相当固定的三维世界(尽管如果我们遭到能够操纵空间曲率的高级外星人的攻击，我们希望我们也能迅速解决这个问题)。

空间有曲率意味着什么?想象它的一种方法是，暂时假装我们生活在一个二维世界里，就像被困在一张纸里一样。这意味着我们只能向两个方向移动。现在，如果我们生活的这块床单完全是直的，我们就说我们的空间是平的。

但如果因为某种原因，这张纸是弯曲的，那么我们说空间是弯曲的。

纸有两种弯曲的方式。它可以向一个方向弯曲(称为“正曲率”)，也可以向不同的方向弯曲，比如马鞍或品客薯片(这被称为“负曲率”或“破坏你的饮食”)。

这是最酷的部分:如果我们发现空间是平坦的，这就意味着这张纸(空间)可能永远持续下去。但如果我们发现空间处处都有正曲率，那么只有一种形状处处都有正曲率:球面。或者更专业地说，一个球体(例如，一个土豆)。这是我们的宇宙围绕自身运转的一种方式。我们可能都生活在三维立体的土豆里，这意味着无论你朝哪个方向走，最终都会回到同一个地方。

在这种情况下，我们确实有一个答案，那就是空间看起来是“相当平坦”的，因为空间与平坦的差距在0.4%以内。科学家们通过两种截然不同的方法，计算出空间(至少是我们能看到的空间)的曲率非常接近于零。

这两种方法是什么?其中一种方法是测量三角形。关于曲率，一个有趣的事情是弯曲空间中的三角形不遵循平坦空间中的三角形的相同规则。回想一下我们在纸上的类比。在平面上画的三角形和在曲面上画的三角形看起来是不一样的。

科学家们通过观察早期宇宙的图像，并研究图像上不同点之间的空间关系，就像测量三维宇宙中的三角形一样。他们发现，他们测量的三角形与平坦空间的三角形相对应。

我们知道空间基本是平的另一种方式是通过观察导致空间弯曲的东西:宇宙中的能量。根据广义相对论，宇宙中有一定量的能量(实际上是能量密度)会导致空间向一个或另一个方向弯曲。结果证明，我们在宇宙中测量到的能量密度正好是使我们看到的空间完全不弯曲所需的能量密度(误差范围在0.4%以内)。

你们中的一些人可能会失望地了解到，我们并不是生活在一个很酷的三维宇宙土豆中，如果你永远朝着一个方向走，它就会绕圈。当然，谁没有梦想过像埃维尔·克尼维尔(Evel knievel)那样骑着火箭摩托车绕着整个宇宙旋转呢?但是，与其因为我们生活在一个枯燥乏味的宇宙中而感到失望，你还不如对它感兴趣。为什么?因为据我们所知，我们生活在一个平坦的宇宙中，这是一个巨大的宇宙层面的巧合。

想想。宇宙中所有的质量和能量是空间弯曲的原因(记住质量和能量会扭曲空间)，如果我们有比现在多一点的质量和能量，空间就会向一个方向弯曲。如果比现在小一点，空间就会向另一个方向弯曲。但我们似乎做到了只是就我们所知，适当的量可以使空间完全平坦。事实上，精确的数量大约是每立方米空间5个氢原子。如果我们有六个每立方米的氢原子，或者四个，整个宇宙将会有很大的不同(更有曲线，更性感，但不同)。

它变得更奇怪了。由于空间的曲率影响着物质的运动，而物质又影响着空间的曲率，所以存在反馈效应。这意味着，在宇宙早期，如果物质太多或不够多，我们在这个临界密度下无法使空间平坦，那么它就会把物质推得更远。现在空间要变得相当平坦就意味着它必须是平坦的极早期宇宙是平坦的，或肯定有别的东西让它保持平坦。

这是太空中最大的谜团之一。我们不仅不知道空间到底是什么，我们也不知道它为什么会是这个样子。我们对此事的了解似乎下降了……平的。

空间的形状

当谈到空间的本质时，空间的曲率并不是我们唯一有深刻疑问的东西。一旦你接受空间不是一个无限的虚空，而是一个可能无限的具有属性的物理事物，你就可以问关于它的各种奇怪的问题。例如，空间的大小和形状是什么?

空间的大小和形状告诉我们有多少空间，以及它是如何与自身联系在一起的。你可能会认为，既然空间是平的，形状又不像土豆或马鞍子(或马鞍子上的土豆)，那么空间的大小和形状就毫无意义。毕竟，如果空间是平坦的，那就意味着它一定会永远持续下去，对吧?不一定!

空间可以是平坦的，也可以是无限的。也可以是平的，有边的。或者，更奇怪的是，它可能是平的仍然循环本身。

空间怎么会有边呢?事实上，没有理由说空间不能有边界，即使它是平的。例如，圆盘是具有光滑连续边缘的二维平面。也许三维空间在某种程度上也有边界，这要归功于边缘的一些奇怪的几何性质。

更有趣的是
的可能性，即太空可以是平的
，但仍然围绕自己旋转。它的
就像在玩一个
那些电子游戏(就像小行星或吃豆人)，如果你把
移到屏幕的另一边
，你就会出现在屏幕的另一边。太空可能会以某种我们还没有完全意识到的方式与自己联系起来。例如，虫洞是广义相对论的理论预测。在虫洞中，空间中相隔甚远的两个不同的点可以互相连接。如果空间的边缘都以类似的方式连接在一起呢?我们不知道。

量子空间

最后，你可以问，空间是否实际上是由微小的离散空间组成的，比如电视屏幕上的像素，还是无限平滑的，以至于你可以在空间中的两点之间有无限个位置?

古代的科学家可能没有想到空气是由微小的离散分子组成的。毕竟，空气似乎是连续的。它的作用是填充任何体积，它有有趣的动力学特性(如风和天气)。然而，我们知道，我们喜欢空气的所有这些东西(在凉爽的夏日微风中，它如何轻轻拂过你的脸颊，或者它如何让我们免于窒息)，实际上是数十亿单个空气分子的综合行为，而不是单个分子本身的基本属性。

平滑的空间场景对我们来说似乎更有意义。毕竟，我们在空间中移动的经验是我们以一种简单的、连续的方式在空间中滑翔。我们不会像电子游戏角色在屏幕上移动时那样从一个像素跳到另一个像素。

还是我们?

根据我们目前对宇宙的理解，它确实是更多的令人惊讶的是，如果空间被证明是无限平滑的。那是因为我们知道其他的都是量子化的。物质是量子化的，能量是量子化的，力是量子化的，女童子军饼干是量子化的。此外，量子物理学表明，可能有一个最小的距离是有意义的，大约是10⁻³⁵米。⁷所以从量子力学的角度来看，空间量子化是有意义的。但是，我们真的不知道。

但不知道并没有阻止物理学家们想象疯狂的可能性!如果空间是量子化的，那就意味着当我们穿越空间时我们实际上是从一个很小的位置跳到另一个很小的位置。在这个观点中，空间是一个连接节点的网络，就像地铁系统中的车站。每个节点代表一个位置，节点之间的连接代表这些位置之间的关系(即，哪个位置挨着哪个位置)。这与认为空间只是物质之间的关系的观点不同，因为空间的这些节点可以是空的，但仍然存在。

有趣的是，这些节点不需要坐在更大的空间或框架内．他们可以……是。在这种情况下，我们所谓的空间就是节点之间的关系，宇宙中的所有粒子都是这个空间的属性，而不是其中的元素。例如，它们可能是这些节点的振动模式。

这并不像听起来那么牵强。目前的粒子理论是基于充满整个空间的量子场。一个字段意味着有一个数字，或一个值，与空间中的每一个点相关联。在这个观点中，粒子只是这些场的激发态。所以我们不是太远远不是这样的理论。

顺便说一下，物理学家喜欢这种想法，即一些对我们来说似乎是基本的东西(比如空间)偶然地从更深的东西中出来。这给他们一种感觉，即我们在帘子后面窥视，发现了现实的更深层次。有些人甚至怀疑空间节点之间的关系是由粒子的量子纠缠形成的，但这只是一群过度兴奋的理论家的数学推测。

太空的奥秘

如果
你已经读到这里，或者深刻理解它，或者只是把你无意义的警报静音，那么我们应该毫不犹豫地探索关于太空的最疯狂的概念(是的，它变得更疯狂了)。

如果空间是一个物理的东西——而不是背景或框架——具有诸如扭曲和涟漪等动态特性，甚至可能是由空间的量子化块构建的，那么我们不得不思考:什么其他的空间能做什么?

像空气一样，也许它有不同的状态和相。在极端条件下，它可能会以意想不到的方式排列自己或者具有意想不到的怪异性质，就像空气在液态、气态或固态时的不同表现一样。也许我们所了解、喜爱和占据的空间(有时比我们想要的还要多)只是一种罕见的空间类型，宇宙中还有其他类型的空间正等着我们去探索如何去创造和控制它们。

我们能回答这个问题的最有趣的工具是，空间被质量和能量扭曲了。为了了解宇宙是什么以及它能做什么，我们最好的办法是通过仔细观察被宇宙巨大质量挤压和拉伸的地方，将它推向极端:黑洞。如果我们能在黑洞附近探索，我们可能会看到空间被粉碎和切割，导致我们无意义的警报爆炸。

令人兴奋的是，我们比以往任何时候都更接近于能够探测这些极端的空间变形。以前，我们对在宇宙中移动的引力波的涟漪充耳不闻，而现在，我们有能力聆听宇宙事件，这些事件正在撼动和扰乱宇宙的粘性物质。也许在不久的将来，我们将更多地了解太空的确切性质，并解决这些围绕在我们周围的深刻问题。

所以不要间隔。在你的脑子里留点空间给答案。

豪尔赫·占姆(Jorge Cham)是这部广受欢迎的网络漫画的创作者越堆越深，也被称为博士漫画。他在斯坦福大学获得了机器人博士学位。

丹尼尔·怀特森是加州大学欧文分校的实验物理学教授，也是美国物理学会的会员。他利用欧洲核子研究中心的大型强子对撞机进行研究。

主要图片来源:沈丽/盖蒂图片社