理解空間

空間的本性是一個(gè)涉及世界本原的問題，對空間本性的理解，不同的學(xué)派會(huì)有相異的說法。其中，物理學(xué)界對空間本性的描述最為精彩奪目，令人驚嘆不已。

大爆炸理論使得許多人相信，空間并非一開始就有的，它是隨著大爆炸的發(fā)生而被開辟出來的。在這里，所謂的奇點(diǎn)指的是宇宙學(xué)奇點(diǎn)，又叫初始奇點(diǎn)，它具有所有物質(zhì)的勢能，因大爆炸而轉(zhuǎn)化為宇宙物質(zhì)的質(zhì)量和能量。其名雖然為“點(diǎn)”，但其實(shí)什么都沒有，空間、時(shí)間以及所有的物質(zhì)形態(tài)都是在大爆炸之后才出現(xiàn)的。宇宙學(xué)的初始奇點(diǎn)是一個(gè)怪物，科學(xué)家利用它巧妙地回避了人們對宇宙誕生這一問題的刨根問底，任何追問都到此為止了。

在宇宙誕生之初，空間比現(xiàn)在小很多很多，它處于一種高溫、高密度的狀態(tài)，是一個(gè)沒有天體的基本粒子世界。那么，人們不禁要問，既然剛誕生的宇宙非常小，那么在這個(gè)膨脹著的小宇宙外面，又是什么環(huán)境呢？小宇宙是一種存在，它就應(yīng)該有自身存在所依賴的外部環(huán)境，否則，小宇宙向何處膨脹？如果說小宇宙的外部環(huán)境就是空間，這無疑是給“奇點(diǎn)”之說的一記耳光。

“奇點(diǎn)”的出現(xiàn)與觀測到宇宙膨脹有關(guān)。然而，即便宇宙真的在膨脹，難道宇宙的膨脹事件就一定是由零開始的嗎？

其實(shí)，在20世紀(jì)30年代初期，很多宇宙學(xué)家并不相信“宇宙由密度無限大的奇點(diǎn)開端”這種說法。然而，反駁者認(rèn)為，壓力只不過是能量的另一種形式，它等價(jià)于質(zhì)量，當(dāng)它變得非常巨大時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一種與排斥相對抗的引力。而且，根據(jù)愛因斯坦關(guān)于質(zhì)量和能量等價(jià)的觀點(diǎn)，人們發(fā)現(xiàn)附加的壓力其實(shí)助長了奇點(diǎn)的產(chǎn)生。為了讓人相信奇點(diǎn)真的存在，還有人以地球的經(jīng)緯線網(wǎng)為例，把子午線相交于南北兩極的會(huì)聚點(diǎn)視為奇點(diǎn)，并且把奇點(diǎn)原本“密度與溫度無限之處”的定義，改為“當(dāng)任何光線穿越空間與時(shí)間的軌跡到達(dá)某個(gè)終點(diǎn)而不能繼續(xù)延伸時(shí)，在該處便出現(xiàn)了一個(gè)奇點(diǎn)”。

有一個(gè)很簡單的例子。把注射器活塞棒拉出，然后用dcc02a4e64c4ce14fe956fda131bd2fa60bbfde1ac2775ab4f14acb24acfa544手指封住沒有針頭的注射口，接著把活塞棒往注射口方向推進(jìn)。結(jié)果是，即使再用力推，也不能把活塞棒完全推進(jìn)注射器里。一個(gè)細(xì)小的空間如此，宇宙空間又是怎樣被壓縮為零的呢？我們真的能夠用數(shù)學(xué)語言或者其他技術(shù)手段計(jì)算并模擬出一個(gè)名副其實(shí)的宇宙學(xué)奇點(diǎn)嗎？

如果說，把球體子午線相交于南北兩極的會(huì)聚點(diǎn)視為奇點(diǎn)成立的話，那也是因?yàn)橛辛俗游缇€的相交才顯示出奇點(diǎn)，一旦沒有了球體子午線，我們又如何在一個(gè)球體中找到南北兩極和那個(gè)奇點(diǎn)呢？為什么只看見南北兩極處的奇點(diǎn)，卻對球面和子午線視而不見？同樣的，“當(dāng)任何光線穿越空間與時(shí)間的軌跡到達(dá)某個(gè)終點(diǎn)而不能繼續(xù)延伸時(shí)，在該處便出現(xiàn)了一個(gè)奇點(diǎn)”，這一定義的說法更加難以否定空間和時(shí)間的存在。

人類的科學(xué)真的需要宇宙學(xué)奇點(diǎn)這樣一種終極理論嗎？誠然，世界上的許多事物并不是從一開始就有的，它們的出現(xiàn)的確有一個(gè)從無到有的過程。但是，難道世界上的任何事物都必須從徹底的無開始嗎？

說到這里，我們有必要提及一個(gè)問題：什么是空間？空間的本性是什么？

關(guān)于空間，經(jīng)典物理的解釋是：宇宙中物質(zhì)實(shí)體之外的部分。因此有人認(rèn)為，空間的性質(zhì)是相對于物質(zhì)而言的，物質(zhì)具有質(zhì)量，而空間就是沒有被占據(jù)的部分，是透明和沒有質(zhì)量的。另一種說法認(rèn)為，空間的概念應(yīng)該用物質(zhì)的廣延性來定義，不存在空虛空間，空間同運(yùn)動(dòng)著的物質(zhì)有著不可分割的聯(lián)系。

對空間本性的不同看法由來已久。牛頓認(rèn)為存在著絕對空間，這種絕對空間就它的本性來說，與任何外在的情況無關(guān)，始終保持著相似和不變。在愛因斯坦的狹義相對論中，不同慣性系的空間和時(shí)間之間遵從洛倫茲變換，長度和時(shí)間間隔也變成相對量；引力的作用可以使空間彎曲，不再是經(jīng)典力學(xué)中無限延伸的絕對空間。而在廣義相對論中，空間的性質(zhì)不再與物體的運(yùn)動(dòng)無關(guān)。

運(yùn)動(dòng)的尺相對于靜止的尺變短，光經(jīng)過大質(zhì)量天體附近時(shí)變得彎曲，這些例子能夠代表空間固有的本性嗎？運(yùn)動(dòng)的尺看上去變短，但實(shí)際上其長度沒有改變，那只是在不同參照系里得出的表面觀測結(jié)果。星光經(jīng)過太陽附近時(shí)變得彎曲，也可能是由太陽的引力場或者高溫?zé)崃鲈斐傻?，只能說明是引力場使光線彎曲了。

空間的本性應(yīng)該是它本身所固有的、根本的屬性。由意外事件或外物干擾所產(chǎn)生的空間現(xiàn)象只是空間具有的特質(zhì)，卻不是空間的本性。

什么是空間？我們不能只用人類的眼光去看待這個(gè)問題。在魚類看來，浩瀚的海洋就是空間，漂浮在海面上的浮冰就是物質(zhì)。然而，這些空間形態(tài)并不是自然空間的本性。同樣，人們所說的一維空間、三維空間、多維空間以及網(wǎng)絡(luò)空間等名目繁多的“某某空間”，也只是人的“知識(shí)空間”，是人的某種認(rèn)知的產(chǎn)物。因此，我們討論空間的本性，首先要清楚的是，這里的空間指的是宇宙的自然空間。

空間，表面虛空，是宇宙存在的最基本的一種形式，是產(chǎn)生物質(zhì)以及物質(zhì)存在所依賴的場。由于空間可以包容物質(zhì)并且能被物質(zhì)包容（僅限于局部空間），因此在宏觀上它是無限的，而在微觀上是有限的。

關(guān)于空間，人們還提出了這樣一個(gè)問題：空間是怎樣產(chǎn)生的？遺憾的是，討論和探索空間起源是目前人類力所不能及的事情。