学文网空间是什么？
我们一般认为我们的世界充斥着各种物体，比如高楼大厦、汽车、人群等等，它们大到行星、恒星、星系，小到气体、粉尘、分子……。如果我们把这些组成我们世界的物体都移走会剩下什么呢？我们一般会说“什么也没有”，但是也许我们这种想法并不正确，因为还留下“空无一物”的空间，而空荡荡的空间不是什么也没有，空间本身就是一种事物。
跟我们日常生活中的事物一样，空间具有不易察觉的特性。事实上，空间如此的真实：你可以使它拉长或缩短，也可以使它扭曲。不可否认，这空荡荡的空间帮助塑造了我们的这个世界并且构成了宇宙的基本构造。我们通常意识不到空间的存在，但话又说回来，像我们经常说的那样，鱼儿也很可能意识不到水的存在，因为它们一直在水里。空间并不是什么都没有，事实上空间里另藏玄机。当我们描述空间的时候，我们通常会想起一个遥远的地方——太空，但是空间无处不在，你可以说空间充斥着整个宇宙，甚至最小的物体，比如原子。在我们周围的这个世界，原子是组成万物最基本的单位，即使是原子，其大部分也是由空无的空间组成。事实上，如果你取出组成一座摩天大厦的所有水泥、玻璃、钢铁的原子内的空间，剩下的将是尺寸只有一个米粒大小的一小块，但其重量将达数亿千克。大厦剩余的尺寸只是空荡荡的空间，但是空间到底是什么？为什么会有空间的存在？为什么空间必须是三维的？空间为何如此巨大？……对于这些问题始终众说纷纭。
空间是牛顿眼中永恒不变的“舞台”
空间是什么？我们至今仍没真正清楚，这是物理学最深奥的问题之一。幸运的是，我们并不是完全懵懂无知，几个世纪以来，我们一直在孜孜不倦地探索。现代科学之父艾萨克·牛顿把空间描述成一个空旷的舞台，在牛顿看来，空间是一个框架，宇宙中的一切都在这里发生，万物在这里更替，并且牛顿的舞台是消极的，绝对而永恒，始终不变。在这样的“舞台”中，演出并不能影响舞台，同样舞台也不能影响演出。通过这样描述空间，牛顿得以描述整个世界，这是前无古人的创举。他的永恒不变的舞台理论使他理解我们能够看到的几乎所有运动形式，这些灵活的法则可以预示一切：小到苹果落地，大至地球绕太阳的运行轨道，至今我们依然沿用。这些法则部建立在一个绝对的理念之上，空间是真实存在的，即使你看不到它、闻不到它、也无法触摸它，但空间就是真实的、客观存在的事物，它为事物的运动提供了一个基准。
爱因斯坦告诉我们空间是可变的
牛顿的绝对时空理论是一个伟大的创举，200多年来它一直备受瞩目，本质上讲现代科学由此诞生了。但是在20世纪的上半叶，一种新的理念崭露头角，从根本上击碎了牛顿的绝对时空理论。这种理论的创始人是一个工作在瑞士专利局的小职员——阿尔伯特·爱因斯坦。爱因斯坦成长于19世纪晚期，那时电气***始露端倪。电的力量照亮大都市，刺激了各项技术的发展，这是牛顿难以预见的，所有这些技术进步涉及到同一个事物，一个令年幼的爱因斯坦深深着迷的事物——光。这里并非是说电灯泡或者路灯，而是光的终极本质。令爱因斯坦最迷恋的是光的一个诡异的特性——光速，正是这点让爱因斯坦颠覆了牛顿的空间学说。让我们举个简单的例子，假如我们坐在一辆停在路上的汽车，并打开车灯让灯光照亮前方，那么在前方路上放置的雷达测速仪测到的车灯光速为c；然后我们启动车子，以速度v迎向雷达测速仪方向行驶，这时雷达测速仪测到的车灯光速为c’。如果按照牛顿的绝对时空观，此时的光速因为加上汽车的速度应该会增加，那么应该会有c’=c+v，可是实际测量的结果确是c’=c=3x108m/s。实际上，大量的测量结果都显示，光速与光源的移动无关，无论相对于何种事物，光速都永远不变，这与牛顿的绝对时空理论相矛盾，给当时的物理界蒙上了阴云。不过，最后爱因斯坦想出了一个绝妙而大胆的解释，他以光速的绝对恒定为前提，摒弃了牛顿的静止时空观理论，提出空间和时间是可以联系在一起的，并且互相协调变化。在他的理论中，时间不是绝对不变的，空间也不是绝对不变的。如果空间和时间的可变性让你很是不解，这只是因为我们的运动速度太慢了，不足以看到这种变化。但是如果物体可以以接近光速的速度前进，这种变化便会显现。还以汽车为例子，如果你站在路边，当汽车以接近光速经过你身旁时，你会发现汽车的空间改变了，在你看来汽车可能只有几厘米那么长，同时你会发现汽车里的手表走的很慢。但是，从汽车里来看，车里的空间看起来和平常一样，表也走的很正常，这就是著名的尺缩和钟慢效应。
引力的本质在于空间扭曲
我们可能习惯了牛顿力学下的思维方式去观察和思考这个世界，但是爱因斯坦成功地用理智的思维战胜了理所当然的感觉，在爱因斯坦的手中，这种对空间的全新阐释还将会解决另一个深奥的难题，一个涉及宇宙中最基本的力的难题——引力。牛顿已经发现了引力使物体相互吸引，并且牛顿力学的相关理论已经极其准确地求出这种力的强度，但是引力是如何作用于物体的？为什么相隔数十万千米月亮依然绕着地球转？人们会觉得月亮和地球像是被一根看不见的绳子牵引着，但是每个人都知道那根线并不存在，牛顿力学无法解释这个问题。爱因斯坦发现牛顿力学对这个问题无能为力，他必须找出另一套理论来解释它。首先，他要先理解重力是如何作用的，在被这个问题困扰了十几年后，爱因斯坦得出了一个惊世骇俗的结论——重力的奥秘蕴藏在空间的本质之中，空间具有可塑性，能够像真实物体一样伸缩、扭曲。这是继牛顿之后又一个惊世骇俗的突破。举个例子，设想一个台球桌子就是一个时空，桌上的台球就是空间中的物体。现在，若时空是平滑完美的，如同这个球桌的表面，物体将会直线运动。但如果空间是一个可以伸缩和弯曲的结构，情况又会如何？我们把大（质量）的球放置在这个可伸缩的时空上，这时球就会沿着由重物产生的凹陷结构运动。爱因斯坦认为，这就是引力的真正原理，它是因为物体扭曲时空而造成的，换而言之，引力是时空的另一种表现形式。月球沿轨道运动不是通过某种神秘的力量牵引，而是因为它沿着地球产生的时空凹陷转动。依据爱因斯坦的观点，空间不但是可变的，而且还可以像弹簧床垫一样灵活弯曲。在爱因斯坦之后，空间再也不被认为是一个静止的空间了，它就像个演员，在宇宙的这场大剧目里面引领舞台。
建造了半个世纪的“陀螺”
现在，空间是动态的、活动的、灵活的这一观念，已经被大多数人接受。但这是真的吗？它是一种想当然的想法？还是它真的准确地描述了空间的本质？该如何用确凿的证据来验证它？20世纪50年代后期，一个名叫伦纳德·希夫的物理学家找到了一种比较简便的方法去检验爱因斯坦的理论。希夫受到一种通常被认为是玩具的东西的启发——陀螺，他觉得如果空间真的可以被扭曲，陀螺或许能够帮到他。这是个另类的想法，而他也选择了一个另类的地方来分享这个想法——斯坦福大学的教职工游泳池。1959年，在这里，希夫邂逅两个大学同事威廉姆·费尔班克和鲍勃·卡农，他激动地发现了他寻求已久的高精度陀螺仪，尽管它看起来很怪异，但这个陀螺仪和小孩子玩的陀螺在原理上相差无几。当即，三人决定把类似的设备送上太空，使其绕地球运转。通常情况下，陀螺仪的轴线指向固定的方向，但是如果地球使空间扭曲了，陀螺仪的轴线也会随之变化，而陀螺仪轴线的偏转角度是可以被测量的。这是一个简单而巧妙的方法，但是存在一个问题，根据爱因斯坦的理论，地球对于空间的影响极其微小，测量陀螺仪的偏转角度相当于从100千米之外测量一个硬币的直径。研究小组花了两年多时间试***弄清楚如何测量一个如此微小的数值，他们最终想出一个办法，将四个***的陀螺仪装载在一个卫星上，卫星的中轴指向一个恒星；如果空间发生扭曲，时间久了，陀螺仪将不再指向这颗恒星，由此他们就能捕捉到空间的扭曲。1962年，他们向美国航宇局（NASA）申请了一笔经费，这笔经费大约有100万美元，该计划被命名为“引力探测B计划”。研究小组的成员原本以为这个计划将在三年内完成，但事与愿违，由于研究小组人员臃肿以及技术实现远超预料的困难，引力测量B计划变成史上最漫长的马拉松式研究计划。最终，在花费了40多年的时间和75000万美元的经费，并且曾经九次差点被NASA撤掉之后，引力探测器B卫星于2004年4月搭载德尔它Ⅱ型火箭顺利升空。1959年坐在游泳池讨论的三个人中，只有一位活着看到了这一幕。接下来的一年时间，引力探测B卫星围绕地球飞行，研究小组密切地监控着卫星的一举一动，试***观测到地球导致空间弯曲的证据。终于，数据开始发生缓慢的变化，然而出现了一个新的问题——陀螺仪正在缓慢地发生微小的错位，很可能会导致这些价值数百万美元的数据丢失。随着研究资金日趋紧张，近半个世纪以来的艰苦工作将要功亏一篑。然而，在这最后的紧要关头，研究小组获得了两笔救命钱：小组创始人威廉·法本克的儿子以私人名义向该项目捐款；还有阿普杜拉·阿齐兹——这位沙特阿拉伯皇室成员曾获斯坦福大学航空学学位，他为这个研究提供了很多便利。在接下来的两年内，数据的难题被解决，数据显示陀螺仪的偏转角度跟爱因斯坦理论预言的数值几乎分毫不差。
空间的变化与宇宙的命运紧密相连
通过上文的介绍，我们知道空间是客观存在的，而且不但能够变化，还能够弯曲，那么空间是早已有之的吗？它又是如何发展下去的呢？关于宇宙的起源和最终命运的探索一直是人类最想解开的千古谜题。目前，关于宇宙的形成比较公认的学说是大爆炸理论。大爆炸理论的科学性令人不得不信服，最直接的证据来自对遥远星系光线特征的研究。20年代，天文学家埃德温。哈勃研究发现远星系的颜色比近星系的要稍红些。哈勃仔细测量了这种红化，并作了一张***。他发现，这种红化是系统性的，星系离我们越远，它就显得越红。光的颜色与它的波长有关。在白光光谱中蓝光位于短波端，红光位于长波端。遥远星系的红化意味着它们的光波波长已稍微变长了。在仔细测定许多星系光谱征谱线的位置后，哈勃证实了这个效应。他认为，光波变长是由于宇宙正在膨胀的结果。哈勃的这个重大发现奠定了现代宇宙学的基础。1950年前后，俄国物理学家乔治伽莫夫第一个建立了宇宙大爆炸的观念：这个创生宇宙的大爆炸不是习见于地球上发生在一个确定的点，然后向四周的空气传播开去的那种爆炸，而是一种在各处同时发生，从一开始就充满整个空间的那种爆炸，爆炸中每一个粒子都离开其它每一个粒子飞奔。此后，这一观点经过几十年、无数科学家的努力最终形成了现在的大爆炸理论，认为宇宙是由一个致密炽热的奇点于137亿年前一次大爆炸后膨胀形成的，并且使空间向外无限地扩张。不过几十年来，大多数科学家都认为空间的膨胀速度在引力的作用下变慢，这就好比当我们向上抛出一个苹果，地球的引力会最终让它停止上升，然后把它拽回来。正如苹果随着时间缓缓落地一样，宇宙的膨胀速度也应该逐渐变小，因为宇宙中的所有物体和能量之间都存在着引力的影响。但是这又引出新的问题：宇宙的终极命运是什么？宇宙会一直膨胀下去么？或者引力最终会停止空间的膨胀导致宇宙在某次“宇宙大碎裂”中被毁灭？为了解开这个奥秘，科学家们开始着手测量宇宙膨胀的减小速度，他们借助于一个另类的工具——爆炸的恒星：超新星。超新星是某些恒星在演化末期经历的一种剧烈的大爆炸，它们是极其耀眼的，亮度可达太阳的10亿倍。选择超新星作为研究对象的原因在于它们爆炸的过程极其相似，它们都会达到一样的亮度，然后它们会按照同一个模式暗淡下去。因此科学家认为这些超新星或许会成为非常精确的宇宙灯塔，帮助研究人员弄清楚宇宙的膨胀是如何随着时间变化的。于是两个科学小组开始通过搜集观测超新星来研究宇宙空间膨胀的速度，他们分别是：1988年启动由索尔·佩尔穆特领导着的“超新星宇宙学项目”以及1994年启动由布莱恩。施密特和亚当·里斯领导的“高红移超新星研究组”。可是，两个小组的数据最终却不谋而合地显示了惊人的发现。通过对比不同距离的超新星视亮度，他们发现远处的超新星视亮度比预期要黯淡25%，也就是比预期的距离更为遥远。这意味着宇宙膨胀正在加速，而不是减速。这一惊人的发现让来自两个小组的索尔’佩尔穆特、布莱恩’施密特和亚当‘里斯三人共同分享了2011年度诺贝尔物理学奖。
宇宙一直在加速膨胀，这是一个多么奇怪的结论，这就好比在地球上跑出一个苹果但它却加速远离地球而不是落下来。但是现在大多数科学家却承认了这一事实，因为他们认为有某种物质在填充空间，抵消了普通物质的引力对于空间的影响，这种填充空间的神秘物质被称为“暗物质”。在宇宙学中，暗物质是指那些自身不发射电磁辐射，也不与电磁波相互作用的一种物质。人们目前只能通过引力产生的效应得知宇宙中有大量暗物质的存在。现代天文学通过引力透镜、宇宙中大尺度结构形成、微波背景辐射等研究表明：我们目前所认知的部分大概只占宇宙的4%，剩下的都是暗物质和暗能量。在宏观尺度上，暗物质构成了宇宙的绝大部分，而我们却不知道它到底是什么，这就好比我们地球上覆盖着大量的水，但我们却不知道水是什么一样诡异。暗物质与暗能量被认为是21世纪宇宙研究中最具挑战性的课题。暗物质无法直接观测得到，但它却能干扰星体发出的光波或引力，其存在能被明显地感受到。科学家曾对暗物质的特性提出了多种假设，但直到目前还没有得到充分的证明。
尾声
我们对于空间的描述已经经历了一个明显的转变，回想牛顿时代，空间只是一个容器，它根本不做任何事情；然而经由爱因斯坦，我们认识到空间可以影响物体的运动，而且是可以变化和扭曲的；现在，我们正在努力解开暗物质之谜，探求宇宙发展的真谛。空间对我们现实世界的本质有着如此深远和广泛的作用，但它却像个熟悉的陌生人，让我们远远没有弄清楚它的真实身份。这也许需要100年，也许需要1000年，也许是明天，但是当我们解决这个难题时，我们将会在完全理解宇宙的构造这个问题上迈出一大步……
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