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空间的本质

爱因斯坦说：“时间和空间是人们认识的错觉。宇宙万物在变化，所以让人们有了时间的概念。如果没有变化，那此刻便是永恒。”
何为空间？在人们的潜意识中，除物质之外的那些空荡荡的部分就是空间。空间是那么的光滑平坦，无限的延伸，表现为各向同性，即没有哪个方向会更优越，这便是经典的时空观。牛顿在数学原理中告诉我们:“绝对的空间，其自身特性与一切外在事物无关，处处均匀，永不移动。”
这个观点统治了人类几千年，甚至现在仍有很多人深信不疑。后来，有一个人站出来打破了沉寂，他便是爱因斯坦，广义相对论的提出改变了人们的时空观。
我们都知道，我们生活的宇宙是三维的，即上下、前后、左右，但广义相对论却告诉我们——它是四维的。当然，对于一直“生活”在三维空间的我们，是想象不出四维空间的，但是，我们完全可以类推。我们想象生活在二维空间的小面人（他们是没有三维概念的），在他们看来，研究三维空间的最好方法便是研究它们在二维世界的投影（平面图像），同样，四维物体在三维空间应该是立体图形，以此，我们便可以研究四维空间。
广义相对论告诉我们，空间是可以弯曲的，空间是有曲率的。它指出：大质量物体如太阳会弯曲它周围的空间，使得地球在四维空间中以最接近直线的路径运动。在四维空间中，地球所走的是最短路径，但在我们看到的三维空间里，便是地球绕太阳运动，表现为万有引力中的引力作用，引力即为空间曲率的反映。起初，很多人对此提出质疑，但广义相对论是非凡的，关于它的几乎所有预言都在令人难以置信的精度上得到了验证。
广义相对论预言：物质决定时空，引力使光线发生弯曲。在宇宙中，前景的大质量天体能够增亮视线上的背景星系或扭曲其图像，其原理非常类似光学透镜的作用，被称为引力透镜效应。光在引力场强的地方会发生偏折，这个结论在人们数次日食观测中得到了证实。当引力场更强的时候，光线偏折会更大，当强到一定程度，光便不能逃离引力场，这个有如此引力的天体便是黑洞，它是一切的终结，时间、空间在这里终结，所有的物理定律在此失效，黑洞是名副其实的“终结者”。
和黑洞有相同特点的便是宇宙奇点，它是一切的开始。著名的大爆炸理论给出了我们宇宙的演化过程。在130多亿年前，奇点发生了大爆炸，时间、空间、物质都从中逃逸出来，并逐渐形成了我们今天的世界。宇宙在膨胀，这是目前已经确定的现象，宇宙空间在“扩大”，我们离其他星系越来越远。对宇宙膨胀的解释，主要有两种观点：
第一种观点是，物质互相分开，带来空间的增加，带来宇宙的膨胀。这种观点是宇宙学的主流观点，认为宇宙平均密度相关的引力，决定宇宙的膨胀或收缩。
第二种观点是，物质在宇宙大尺度上是静止的，是空间的膨胀，带来物质距离的的增加，带来宇宙的膨胀。
两种观点都不能解释引起宇宙膨胀的本质原因，第一种不能解释什么力量推动物质散开，第二种不能解释什么因素引起空间的增长。而具体的原因还有待讨论。
宇宙仍然在膨胀，我们一直以为这样平直稳定的宇宙会一直保持到任意的尺度，即使它一直膨胀下去，但量子力学完全改变了这种想法，万物都摆脱不了不确定性原理所确定的量子涨落—量子场也不例外。当我们逐渐放大空间区域时，会发现，越是狭窄的地方，越是浪花飞溅，因为那里有汹涌的量子泡沫（这是一种在超微空间的混沌状态），它描绘了一幅完全陌生的画面，在这里，上下、左右、前后，甚至过去和未来，都失去了意义。另外，在这样的小尺度上，我们会发现，广义相对论和量子力学是不相容的，广义相对论核心的光滑几何模型与量子力学核心的不确定性原理是针锋相对的，也就是说，它们不可能全是对的，但这只是在普朗克尺度下，而在实际研究运用中，物理学家还是高兴地使用它们。
作为现代物理学的两大支柱，广义相对论与量子力学的矛盾性令几乎所有物理学家苦恼，而寻求解决的方法当然是最重要的。在这个时候，弦理论的出现令它有了改观。弦理论认为，这两个理论在日常的三维空间里是不可能统一的，它们的矛盾是必然的，只有在高维空间里才能得到统一。对于弦理论，我们也可以稍加谈论。弦理论的基本假设是，所有微观粒子都是有一根上下振动的弦，有一定的张力，且是一维的。基于这个假设，由弦论可以推导出，我们观测到的粒子的性质（如质量和力荷）是由弦的振动行为决定的。而且，弦理论认为，我们生活的宇宙时十一维的，在宇宙大爆炸的时候，只有三个空间维和一个时间维被释放出来，其他的维度被卷曲在卡丘空间（在普朗克尺度内：10e-35m）里，以至于我们无法观测到。
弦论几乎是用纯数学推导出来的，很多人认为它是不对的，但令人欣喜的是，弦理论完美的合并了广义相对论与量子力学，并且极有统一引力与其他三种力，很有可能成为终极理论。但由于弦理论的很多预言无法用实验验证，因此不能妄下断言。
在弦论中，空间具有一个最小的、不可分割的值，这个不可思议的现象会导致什么样的结果呢？我们很容易想到：我们宏观的空间结构是由一份份最小的空间包组合起来，在这一份份的空间包中间，极有可能存在着我们无法探测的空间裂缝！所谓“虫洞理论”中在空间中凿开一个洞口的设想，从理论上来说真的是可行的，这就是寻找相邻空间包之间的裂缝，然后用难以想象的高能量轰开这个裂缝，一个虫洞就出现了！可以说，小小的十维空间包以及它们之间的裂缝存在于我们空间的每一个角落，只要我们有足够的能量，我们可以在任何地方凿开一个虫洞。虫洞可以连接弯曲的空间，在科幻中，星际旅行者通过虫洞从而实现星际航行，而突破了光速的限制。但是虫洞是不稳定的，当我们穿越黑洞时，会发生什么呢？答案是不可思议的。请你坐稳了，我来告诉你：空间会发生破裂。空间破裂？很不可思议吧！但数学家用拓补学证明了，在高维空间里，它的确是存在的。它的过程是如此复杂，我们只需要知道结论就行了。结论是：空间能够发生破裂，但从物理学的角度来看，破裂的瞬间没有什么奇特的表现，不会产生物理学灾难。
空间的神秘让很多人着迷，物理学家还在努力找寻着宇宙的规律，在不远的将来，对于空间，可能我们会有更多的认识。

【参考文献】
1. 时间简史，史蒂芬.威廉.霍金著
2. 时间、空间和万物，B.K.里德雷著
3. 宇宙的琴弦，B.格林著

2012年3月11日