空間的構造

段景頤

從“近光速汽車”內部看出去，外面的世界如同夢境。

進入20世紀后，人類對空間的認識不斷加深：空間不但可以被扭曲，還能無中生有。作為宇宙這棟大樓的鋼筋，空間中真的什么都沒有么？實際上，即便沒有任何天體、塵埃和電磁波的某些星際空間，也不能算“全無”。越來越多的觀測結果表明，無論是我們周圍的空間還是接近真空的太空，都是有形的。我們身處其中卻無法感受，就好像水中游動的魚：如果魚不被飛鳥銜住，離開水中，它就永遠不會意識到水的存在。

第一條用理論闡釋“水”的“魚兒”是現代科學之父艾薩克·牛頓。牛頓認為，空間是宇宙萬物的舞臺，是一切事物相互作用的框架。牛頓詮釋的空間是被動、絕對、永恒和不變的，物體不影響空間，空間也不影響物體。牛頓的理論可以完美詮釋從蘋果落下到地球圍繞太陽運行的萬物運動規則。這套理論目前在某些領域依然適用，我們今天仍然用它完成包括發射火箭在內的許多工作。19世紀末電磁學將科技領入新紀元，但卻和牛頓的理論體系矛盾。為了維護牛頓體系，以洛倫茲為代表的一些科學家開始在這套體系的基礎上進行修補。

光速不變悖論

20世紀初期，一位瑞士專利局的年輕文員提出新理論，動搖了牛頓理論。這個文員名叫阿爾伯特·愛因斯坦。在那個光電技術飛速發展的年代，也許是電燈發出的光引發了愛因斯坦對光本質的思考，也讓他發現了牛頓理論的漏洞。

隨著人類測量光速越來越精準，人們發現光具有一種非常奇怪的特性：在真空中，光速永遠是恒定的。不變的光速讓許多科學家陷入困惑。不過，愛因斯坦看到了這個問題的本質：既然速度是物體單位時間內移動的距離，光速恒定說明時間和空間（距離）是可變的。 從“近光速汽車”內部看出去，外面的世界如同夢境。

空間和時間的確是變化的。如果有人駕駛著一輛神奇汽車，以0.1倍光速闖紅燈通過路口，而他的違章行為剛好被一臺能夠清晰捕捉以光速運動的物體的攝像機拍下，那么攝像機拍到的違章車輛看起來就像是前后被壓縮了一般——駕駛室的長度被壓縮至數厘米。如果有人能看見駕駛員手表上的指針，他會發現指針運行變得異常緩慢;而駕駛員觀察到的會是以正常速度運轉的手表。從車內看出去，窗外的景象也將變得難以置信，因為0.1倍光速讓空間發生了大幅度調整。所有的一切詭異變化，都是為了保持光速恒定。因此，愛因斯坦將時間和空間這兩個原本獨立的概念融合在一起，形成了“時空”。

引力扭曲空間

牛頓認為引力是一種吸引物體的力。他發明的萬有引力公式能夠精確計算出引力對物體的影響。但引力的真面目是什么？地球和月球之間好像有一根無形的繩索相連，但是每個人都知道這不是真的，而牛頓沒有做出任何解釋。

牛頓認為萬物之間都有引力，就好像是一條無形繩索。實際上，引力是被物質扭曲的時空，月球繞地球旋轉的原因也在于此。

1915年，愛因斯坦在一次學院發言上首次提出：引力不是牛頓的無形繩索，而是被扭曲的時空本身，這就是引力的秘密。愛因斯坦在廣義相對論中指出，物質能夠扭曲時空。在愛因斯坦看來，時空像一塊柔軟的布料，在這塊布料上的重物會在周圍形成凹陷，就像一枚鉛球被放在席夢思床墊上形成的凹陷，如果有其他物體進入凹陷區域，就會順勢滾向重物，愛因斯坦意識到，這恰恰就是引力的運行機制——物質扭曲時空，改變空間形狀。月球圍繞地球旋轉，不是因為它們之間有根看不見的繩子，而是因為月球在沿著地球所扭曲的空間運動。愛因斯坦讓空間變得更真實、更柔軟，空間突然有了幾何形狀。

愛因斯坦在廣義相對論中，預言宇宙中存在一種非常致密的天體——黑洞。黑洞是巨大質量恒星的尸體，能產生非常強的引力場。愛因斯坦通過計算發現，旋轉的黑洞能夠扭曲并拖拽它周圍的空間。引力真的能扭曲空間？要驗證這個理論，最好的辦法是找到黑洞進行觀測。然而，就算以光速移動，從地球到最近的黑洞也需要3000多年，以人類目前的科技是很難接近觀察的。為了驗證愛因斯坦的理論，人們需要新的方法。

驗證廣義相對論

20世紀50年代后期，物理學家倫納德·希夫開始尋找一種能驗證廣義相對論的方法。1959年，在斯坦福大學的教職工游泳池里，希夫與另外兩位同事威廉姆·費爾班克和鮑勃·卡農一起，討論基于磁矩技術的高精度陀螺儀。通常情況下，陀螺儀的軸線總是指向同一個方向。如果地球能扭曲空間，那么同處于扭曲空間的高精度陀螺儀的軸線就會發生改變;而陀螺儀軸線的偏角是可以被測量的。這是個很巧妙的想法，只不過，根據相對論公式計算，地球對于周圍空間的扭曲非常微小，要測量這個微小變化，相當于從100千米以外測量一枚硬幣的直徑，陀螺本身的指向誤差都遠超過這個數值。有幸高精度陀螺儀的問世大大降低了誤差，能夠讓科學家測量到空間的扭曲量。

經過兩年的攻堅，三人終于想出一種測量方法：將四臺獨立的超高精度磁矩陀螺儀置于接近絕對零度的低溫超導容器內，并將其裝載在衛星上。在一臺參考望遠鏡的幫助下，衛星和四臺陀螺儀的自轉軸都對準飛馬座雙星HR8703這顆易于觀測的引導星。如果引力果真能夠扭曲空間，陀螺儀的自轉軸就會變化。

1962年，他們成功地向美國國家航空航天局申請到了一筆100萬美元的研究經費，“引力探測B計劃”正式啟動。研究小組的成員原以為3年內就可以發射衛星，但事實證明他們過于樂觀——引力探測B計劃成為美國航天局史上最漫長的“馬拉松”計劃。結果，為了實現最終的設想，他們花費了幾十年的時間。在衛星發射前，他們還需要解決許多技術和理論難題，例如制造高精度的陀螺儀，其轉子將是地球上最完美的球體——其任何方向的誤差不允許超過40個原子直徑。

42年后，這個總投入上億美元，9次險些被終止的“引力探測B計劃”終于迎來了發射升空的一天。1959年在游泳池討論的三人組中，只有一個人活著見到了這一幕。

在接下來的一年時間，引力探測器B圍繞地球飛行，研究小組嚴密注視衛星全程運行，努力尋找地球引力導致空間扭曲的證據。終于，數據開始發生緩慢地變化，然而還是出現了一個問題，陀螺儀正在緩慢地發生微小的錯位。

這一變化很可能會導致重要數據丟失，隨著研究經費日益緊張，眼看近半個世紀的努力就要化為烏有。就在緊要關頭，研究小組獲得了數筆籌款和熱心人的幫助。在接下來的兩年內，錯位難題被有效地解決。數據顯示，陀螺儀的偏轉角度跟愛因斯坦理論預測的數值幾乎分毫不差。這次實驗有力地證實了廣義相對論：引力的確能扭曲時空。

卡西米爾效應——無中生有

愛因斯坦研究宏觀宇宙，另一群物理學家則在極其微小的尺度上探測宇宙。原子和亞原子的世界遵循一套完全不同的規則——量子力學。根據量子力學，真空并不空，而是隨時有能量不斷起伏，粒子隨之不斷產生，它們相互轉化，轉瞬湮滅。

引力探測器8全貌。

真空竟然能擠壓兩片金屬箔，這說明真空并不空。橢圓形大小代表真空中虛粒子的能量高低。

1948年，荷蘭物理學家亨德里克·卡西米爾提出，即便在沒有物質存在的真空仍有能量漲落。卡西米爾預測，如果讓兩個鏡面平整的金屬箔處于真空中并彼此靠近，波長較長的虛粒子就會被排除出金屬箔中間的區域。這樣一來，箔片間的能量密度就會比箔片外小，這會產生一種由外向內推擠箔片的壓力。

1996年，實驗終于證實了卡西米爾效應。真空中兩塊金屬板靠近到一定距離時，真的吸到了一起。經測試，在10納米間隙上（大概是一個原子尺度的]00倍），卡西米爾效應能產生1個大氣壓的壓強。可見，在原子尺度上，真空并不空。它充滿了活力，甚至能讓物質移動。

希格斯粒子——創世粒子

宇宙中的基本粒子都有不同的質量。這些基本粒子構成原子，塑造了宇宙。那么，質量的本質是什么？為什么不同的基本粒子質量也不同？

1964年，年輕的英國物理學家彼得·希格斯提出一種新理論：空間中存在一種無處不在的量子場（希格斯場），不同粒子在其中穿行的難度不一，這導致了各種粒子間的質量差異。粒子的質量就好像名人的聲望：聲望越高的明星越容易吸引狗仔隊，導致自己寸步難行：沒有什么聲望的普通人反而能輕易在街道上穿行。希格斯認為，粒子與希格斯場的相互作用越大，它們獲得的質量就越大。

希格斯確信這是一個偉大發現，但在他將自己的論文投遞給歐洲核子研究中心期刊部后，卻被拒絕發表。希格斯毫不氣餒，進一步完善了他的理論。終于，他得到了前往普林斯頓大學高級研究所闡述理論的機會。這次闡述讓在場的物理學家意識到希格斯機制的重要性，因為我們找到了證明空間是實體的方法一那就是找到構成希格斯場的希格斯粒子。

坐落于瑞士日內瓦的歐洲大型強子對撞機全長27千米，是全世界最大、能量最高的粒子加速器。在這里，科學家將亞原子粒子加速至0.9999倍光速并相互撞擊，期望高能撞擊能從希格斯場中“敲下”一些希格斯粒子。

2012年，歐洲大型強子對撞機實驗傳出重磅消息，科學家發現了一種極有可能是希格斯粒子的全新粒子，并將其命名為希格斯玻色子。如果沒有希格斯場，大爆炸所產生的基本粒子依然會以光速飛行，無法聚合形成物質。因此，希格斯波色子也被人們稱為創造萬物的“創世粒子”。

不過，盡管希格斯機制已被證實，它卻只能將質量賦予某些基本粒子，比如電子和夸克。構成我們身體的原子由電子和原子核組成。電子的質量非常小，一個體重70千克的成年人，體內所有電子的質量只有大約21克，剩下的質量都集中在原子核里。如果將構成原子核的質子、中子再分解，還能得到基本粒子——夸克。但就算把夸克和電子的質量加在一起，質量也只有原子的1%左右;原子99%的質量，其實來自強相互作用。

強相互作用是四種宇宙基本作用力中最強的一種，但它只能在極短的距離起作用。這種作用力能將三個夸克連接在一起，形成一個質子或中子，也能讓質子或中子緊密結合，形成原子核。愛因斯坦的質能方程告訴我們，能量和質量是等價的。因此，原子核內部這種強大的結合能形成了原子質量，并且占整個原子質量的99%。

阻止宇宙收縮

1917年，在愛因斯坦建立引力場理論后不久，他發現如果按照數學計算，宇宙要么正在膨脹，要么正在收縮。無論怎樣，宇宙都不可能保持固定大小。愛因斯坦信奉靜態宇宙，為了挽救自己發明的理論，他進行了彌補。愛因斯坦假設宇宙中有一種“反引力”能抵消引力，兩者相互制衡，使宇宙保持穩定。

但是，科學家很快就發現宇宙并不是靜止的，而是在不斷膨脹。1927年，比利時天文學家勒梅特首次提出“宇宙大爆炸”假說。1929年，美國天文學家愛德文·哈勃經過觀測，發現離我們越遠的星系，遠離我們的速度也越快，這說明宇宙不僅在膨脹，而且膨脹速度不斷加快。科學家對宇宙微波背景輻射的觀測也支持了大爆炸理論。

那么，宇宙的膨脹速度為什么沒有被引力減弱呢？目前，基于大量觀測結果，科學家認為宇宙中有大量看不到卻有引力效應的暗物質，還存在彼此遠離的暗能量。兩者構成了絕大部分的宇宙。如果給宇宙做一次“人口普查”，常規物質只占4.9%，暗物質占26.8%，還有68.3%是暗能量（質能等價）。

既然暗能量能讓宇宙加速膨脹，為什么我們沒有感受到呢？這是因為組成我們世界的基本粒子被一些基本作用力牢牢聚攏在一起，抵消了暗能量產生的斥力。然而這種平衡也許不會持續太久：一種理論認為，暗能量將使得星系不斷遠離彼此，最終讓宇宙成為寒冷和黑暗的所在;另一種理論則認為，讓宇宙膨脹至今的暗能量，其強度可能會越來越大，最終從原子內部撕裂一切。（責任編輯 王川）

宇宙暗物質3D分布圖。

目前科學界認為，“大爆炸”后宇宙一直在加速膨脹。

人類對空間的認識已經進入了新階段。牛頓時代的空間是一個“大舞臺”，宇宙萬物在其中登臺、表演、謝幕，而“舞臺”本身不和“演員們”發生任何互動。到了愛因斯坦時代，我們認識到空間可以影響物體運動。接著，卡西米爾的完美金屬箔讓我們見識了一個無中生有的真空。再后來，希格斯機制和暗物質/暗能量說明宇宙大爆炸可能是由空間自身的能量引起的。隨著我們對空間本質探究越來越深入，我們可能還會有更多發現。