宇宙的構造：《什麼是空間》上

空間是什麼？假如把一切物體都移走，只剩下空無一物的空間，看起來好像什麼都沒有，但卻隱藏了一個物理學最深奧的難題之一，什麼是空間？其實在我們習以為常的現實世界之下，還存在著另一個令人驚歎的世界，在這裡我們對於宇宙的大部分理解都是錯的，但是為什麼會這樣呢？對於我們熟悉的事物，我們為何錯的如此離譜？這確實讓你很訝異，這是一個全新的觀點，因為它開啟了一個具有無限可能的新世界。

圖注：銀河系

空間是真實存在的嗎？

我們一般認為我們的世界充斥著各種物體，比如高樓大廈和私家車，公交車和人群，這些組成我們世界的物體，重要但卻不神秘，我們的空間容納了萬物，讓我們設想一下，如果你把周圍的一切物體移走，是指所有的物體，你周圍的人，你的手機，身旁的汽車和建築物，不僅是地球上的物體，地球本身也被移走，把行星、恆星以及星系也全部移走，不光這些，還包括那些最微小的氣體分子和粉塵，還會剩下什麼？你可能會說“什麼都沒有”，這麼說是對的，但其實也是錯的，因為還留下了空無一物的空間，空蕩蕩的空間也不是什麼都沒有，空間本身就是一種事物，跟我們日常生活中的事物一樣，只是空間具有不易察覺的特性，但空間是真實存在的，你可以使它彎曲，也可以使它扭曲，甚至可以使它震盪，這空蕩蕩的空間幫助我們塑造了這個世界，並且構成了宇宙的基本構造，但我們通常意識不到空間的存在，就像魚兒很可能也認識不到水的存在，因為它們一直生活在水裡。

圖注：彎曲震盪的空間

當你抬頭望向太空的時候，你會發現空間無處不在，你可以說空間充斥著整個宇宙，甚至最小的物體，比如原子，在我們周圍的這個世界，原子是組成萬物最基本的單位，即使是原子，其大部分也是由空無一物的空間組成，如果你取出上海中心大廈中所有水泥、玻璃、鋼鐵等原子內的空間，剩下的就是一小塊，大概只有米粒大小的物質，但它的重量可能達到上億公斤，大廈剩餘的尺寸都只是空蕩蕩的空間。所以你可能會問了空間到底是什麼呢？且聽我慢慢分析。

圖注：現代物理學之父牛頓

經典力學下的絕對時空觀

幾個世紀以來，科學家們一直在孜孜不倦的探索，而問題的關鍵在於區分有和無的本質，所以科學家們提出了一套關於空間的大膽而新穎的描述，現代科學之父牛頓是這樣描述空間的：“空間就是一個空曠的舞臺”，在牛頓看來，空間就像是一個框架，宇宙的一切都在這裡發生，萬物在這裡更替，並且牛頓的“舞臺”是消極的，絕對而永恆，始終不變，換句話說，就是我們並不能影響空間，同樣空間也不能影響我們，透過這樣描述空間，牛頓得以描述整個世界，永恆不變的“舞臺理論”使他理解，他能夠看到的幾乎所有的運動形式，這些靈活的理論可以預示一切，小到蘋果落地，大至地球圍繞太陽的執行軌道，至今我們仍然沿用，這些屢試不爽的理論，為我們的行為提供指導，不管是發射衛星，還是為飛機導航，這些理論都建立在一個絕對的理念之上：空間是真實存在的。即使你看不到它，聞不到它，也無法觸控到它，但空間就是真實的，客觀存在的事物，空間為事物的運動提供了一個基準。

圖注：接近光速運動飛船

光速不變原理

牛頓的“舞臺理論”是一個偉大的創舉，兩百多年來使它一直備受人們的矚目，但是在二十世紀的上半葉，一種新的理念從根本上擊碎了牛頓的“舞臺理論”，這種理論的創始人就是當時工作在瑞士郵政局的小職員名字叫做阿爾伯特▪愛因斯坦，愛因斯坦出身於19世紀晚期，那時電氣革命剛剛開始，電的力量照亮大都市，同時刺激了各項技術的發展，但所有的這些科技進步都涉及到同一個事物，一個令年幼的愛因斯坦深深著迷的事物：光，令愛因斯坦最迷戀的是光的一個詭異特性：光速，也正是這點讓愛因斯坦顛覆了牛頓的空間學說，舉個例子，當你坐在一輛以30千米/小時行駛的車上，在這時你開啟車燈，你會認為光的速度等於車速加上光速，但實際情況並不是這樣，光的速度仍然約為30千米/秒，而這就是光速不變原理，無論相對於何種事物，光速永遠不變，但為什麼會這樣呢？

圖注：扭曲的時空

狹義相對論下的時空觀

我們都知道速度是物體在空間中隨著時間移動的度量單位，因此愛因斯坦想出了一個絕妙而大膽的解釋，即空間和時間可以協同工作，以保證光速的絕對恆定，所以不管你跑多快，當你測量光速時，空間和時間相互協調，使光速總是保持在約30萬千米/秒，為了保證光的絕對性質，時間不是絕對不變的，空間也不是絕對不變的，並且空間和時間會以一種特殊的方式，相互影響，相互配合，你可能會問，為什麼我們在現實生活中看不到這樣的情況，那是因為我們運動的速度太慢了，還不足以看到這種變化，

圖注：距離收縮公式

圖注：時間膨脹公式

但是如果一輛汽車可以以接近光速的速度前進，你就能明顯感覺到這種變化，並且越接近光速，變化越明顯，舉個例子，當你坐在以光速的速度前進的汽車中，你向車窗外看時，你會發現空間在變化，別人看到你只會有幾毫米那麼長，同時會發現你的動作變得異常緩慢，就像靜止了一樣，但是從你自身的角度來看，你感覺你的身體和汽車也是正常的，時間也是正常的，你向車窗外看時，你會發現空間在飛速變化，而所有的這一切都是為了保持光速的恆定，因為根據愛因斯坦的觀點時間和空間不再是嚴格的和絕對的，相反他們在運動中相互融合，這就是我們熟知的“時空”。

圖注：凹陷空間下相互作用的引力

引力—時空的另一種表現

在愛因斯坦理論指導下，這種對空間的全新詮釋，將會是我們解決一個深奧的難題，一個涉及宇宙中最基本的力的難題—引力，從萬有引力定律我們知道引力使物體相互吸引，但是引力是如何作用於物體的，牛頓力學無法解釋這個問題，在被這個問題困擾了十幾年後，愛因斯坦得出了一個驚世駭俗的理論，引力的奧秘隱藏在空間本質之中，空間比他預想的更加具有可塑性，愛因斯坦空間能夠像真實物體一樣伸縮，讓我們設想一下，時空就像是一張橡膠毯，我們把一個質量大的大球放在這個可伸縮的橡膠毯上，在旁邊放一個的小球，我們就會發現小球就會沿著大球產生的凹陷結構運動，而愛因斯坦認為，這就是產生引力的真正原因，它是因為物體扭曲時空造成的，換句話說，引力就是時空的另一種表現形式。