一个sk一群物理学家和哲学家来定义“空间”,你可能会陷入了长时间的讨论,涉及测深但无意义的词组合,如“时空的结构本身就是一个量子熵概念的物理表现普遍自然交织在一起的位置。”再想想，也许你应该避免在哲学家和物理学家之间展开深入的对话。
难道空间只是万物背后无限的空虚吗?还是空虚之间东西吗?如果空间不是这两者之一，而是一个可以到处晃动的物理物体，就像一个装满水的浴缸?
事实证明，空间的本质本身就是宇宙中最大、最奇怪的谜团之一。所以准备好，因为事情将要…整个人昏昏沉沉的。
空间，它是一种东西
像许多深奥的问题一样，“什么是空间”这个问题一开始听起来很简单。但如果你挑战自己的直觉，重新审视这个问题，你会发现很难找到明确的答案。
大多数人认为，空间只是发生事情的空无一物，就像一个空荡荡的大仓库或一个剧院舞台，宇宙的事件在上面上演。在这个观点中，空间就是缺乏的东西这是一个等待填补的空白，如“我为甜点留了空间”或“我找到了一个很棒的停车位”
如果你遵循这个概念，那么空间是一个可以独立存在的东西，没有任何物质填充它。例如，如果你想象宇宙中有有限数量的物质，你可以想象旅行如此之远，你到达一个点，超过这个点，没有更多的物质，宇宙中的所有物质都在你身后。1你会面对纯粹的空白空间，在那之外，空间可能会延伸到无限。在这个观点中，空间是永远延伸的空虚。
这样的事情会存在吗？
这幅太空图是合理的，似乎符合我们的经验。但历史给我们的一个教训是，任何时候我们认为某事是明显正确的(例如，地球是平的，或吃很多女童子军饼干对你有好处)，我们都应该持怀疑态度，并后退一步仔细检查。不仅如此，我们还应该考虑那些描述同样经历的截然不同的解释。也许有些理论我们还没想过。或者也有相关的理论认为我们对宇宙的体验只是一个奇怪的例子。有时困难的部分是识别我们的假设，特别是当它们看起来很自然和直接的时候。
在这种情况下，关于太空可能是什么，还有其他听起来合理的想法。如果没有物质空间就不存在呢关系之间有关系吗?在这个观点中，你不可能有纯粹的“空空间”，因为在最后一块物质之外的任何空间的概念都没有任何意义。例如，你不能测量两个粒子之间的距离如果你没有任何粒子。“空间”的概念将在没有物质粒子留下来定义它的时候结束。除此之外还有什么呢?非空空间。
这是一种非常奇怪和违反直觉的思考空间的方式，特别是考虑到我们从未体验过非空间的概念。但是奇怪从来没有妨碍过物理学，所以保持开放的心态。
这个地方是哪个空间？
以下关于空间的观点哪一个是正确的?空间就像一个等待被填补的无限虚空吗?还是说它只存在于物质的环境中?
事实证明，我们很确定空间不是这两种东西。空间是绝对不毫无疑问，这是一种空虚不只是物质之间的关系。我们之所以知道这一点，是因为我们看到空间做的事情都不符合这两种想法。我们观察到了太空弯曲、波纹和膨胀．
这时你的大脑会想:“什么……?”
如果你正在注意，当你读到“空间的弯曲”和“空间的扩展”这两个短语时，你应该有点困惑。这可能意味着什么？这有什么意义？如果空间是一个概念，那么它就不能弯曲或膨胀，就像它不能被切成方块并用香菜炒一样。2如果空间是我们测量物体位置的标尺，那么如何测量空间的弯曲或膨胀？
好问题！这种“空间弯曲”的想法之所以如此令人困惑，是因为我们大多数人在成长过程中都把空间想象成一种无形的背景，在这种背景下，事情发生了。也许你想象空间是这样的 我们前面提到的剧场舞台，用坚硬的木板作为装饰 地板和所有侧面的刚性墙。也许你能想象得到 宇宙中的任何东西都不能改变这个阶段，因为这个抽象的框架不是宇宙的一部分，而是包含宇宙。
不幸的是，这正是你脑海中出现问题的地方。为了理解广义相对论并思考现代的空间概念，你必须放弃把空间作为一个抽象阶段的想法，而接受它是一个身体的事情．你必须想象空间有特性和行为，它会对宇宙中的物质做出反应。你可以捏住空隙，挤一点，是的，甚至可以在里面放上香菜。3.
这时，你的大脑可能在听"# @ # $ ? ! ? !“胡说八道。这是完全可以理解的。准备好忍受我们，因为真正的疯狂还没有到来。等我们完成的时候，你的闹铃会响个不停。但我们需要仔细地解开这些概念，以理解这里的想法，并理解尚未解答的关于空间的真正奇怪和基本的奥秘。
太空谷，你在里面游泳
空间怎么可能是一个涟漪和弯曲的物理物体，这意味着什么？
这意味着空间不像一个空房间(一个非常大的房间)，它更像一个巨大的粘稠物。通常情况下，物体在粘性物中移动没有任何问题，就像我们可以在充满空气的房间中移动而不会注意到所有的空气颗粒。但在某些情况下，这种粘性物质会弯曲，改变物质在其中的移动方式。它还可以挤压和制造波浪，改变内部物体的形状。
这个goo（我们称之为“空间goo”）并不是对空间本质的完美类比，但它可以帮助你想象你此刻所处的空间不一定是固定的和抽象的。4相反，你坐在某个水泥地上事情，那个东西可以以你可能觉察不到的方式拉伸、抖动或扭曲。
也许有一股空间涟漪刚刚从你身边掠过。或者，也许我们现在正被拉伸到一个奇怪的方向，而我们甚至还不知道。事实上，直到最近我们才注意到粘性物除了呆在那里，哪儿也不去，这就是为什么我们将其与“虚无”相混淆。
那么这个空间能做什么呢？事实证明它可以做很多奇怪的事情。
首先，空间可以扩张。让我们仔细思考一下空间扩张意味着什么。这意味着物体之间的距离越来越远没有真正穿过黏液．在我们的类比中，想象你坐在粘性物质中，突然粘性物质开始增长和膨胀。如果你坐在另一个人的对面，那个人就会离你更远，而你们都没有相对于粘性物移动。
我们怎么知道黏液扩散了？难道不是我们用来测量粘液的尺子吗也扩大?没错，尺子中所有原子之间的空间会膨胀，将它们分开。如果我们的尺子是用超软的太妃糖做的，它也会膨胀。但如果你使用一个刚性的尺子，它的所有原子会紧紧地抓住彼此(通过电磁力)，而尺子会保持相同的长度，让你注意到更多的空间被创造出来。
我们知道空间可以膨胀，因为我们有见过它在膨胀——暗能量就是这样被发现的。我们知道，早期的宇宙空间以惊人的速度膨胀和伸展，类似的膨胀今天仍在发生。
我们也知道空间可以弯曲．我们的粘稠物可以像太妃糖一样被压扁和变形。我们知道这一点，因为在爱因斯坦的广义相对论中引力就是:空间的弯曲。5当一个物体有质量时，它会导致它周围的空间扭曲并改变形状。
当空间改变形状时，物体不再以你最初想象的方式在其中移动。棒球穿过一团弯曲的黏液时，会随之弯曲，而不是沿着直线移动。如果黏液被一些重的东西严重扭曲，比如保龄球，棒球甚至可能像月球绕地球运行或地球绕太阳运行一样绕着它转一圈。
这是我们可以用肉眼看到的东西！例如，当光经过像我们的太阳或巨大的暗物质团这样的大质量物体时，它的路径会发生弯曲。如果重力只是有质量的物体之间的一种力，而不是空间的弯曲，那么它就不能吸引没有质量的光子。解释光的路径如何弯曲的唯一方法是空间本身是否弯曲。
最后，我们知道空间可以涟漪. 这并不太牵强，因为我们知道空间可以拉伸和弯曲。但有趣的是，拉伸和弯曲可以传播穿越我们的空间;这被称为引力波。如果你引起空间的突然扭曲，这种扭曲就会像声波或液体中的波纹一样向外辐射。这种行为只有在空间具有一定的物理性质，而不仅仅是一个抽象的概念或纯粹的空的情况下才会发生。
我们知道这种涟漪行为是真实的，因为（a）广义相对论预测了这些涟漪，（b）我们实际上已经感觉到了这些涟漪。在宇宙的某个地方，两个巨大的黑洞彼此疯狂地旋转着，当它们旋转时，在空间中造成了巨大的扭曲，并向外辐射到空间中。使用非常灵敏的设备，我们在地球上探测到了这些太空涟漪。
你可以把这些涟漪想象成空间拉伸和压缩的波。实际上，当一个空间波纹通过时，空间在一个方向收缩，在另一个方向扩张。
这听起来Ridic-goo-lous。你确定吗?
空间是一种东西，而不仅仅是纯粹的空虚，这听起来很疯狂，但这正是我们对宇宙的体验告诉我们的。我们的实验观察清楚地表明，空间中物体之间的距离不是在看不见的抽象背景上测量的，而是取决于我们生活、吃饼干和剁香菜的空间黏液的性质。
但是，当把空间看作具有物理属性和行为的动态事物时，也许可以解释一些奇怪的现象，比如空间弯曲和拉伸，但这只会导致更多的问题。
例如，你可能会说，我们过去称之为空间的东西现在应该称为物理粘粘物(“phgoo”)，但这种粘粘物必须如此在某种东西，我们现在又可以称之为空间。这很聪明，但据我们所知(到目前为止还不是很远)，粘性不需要出现在其他任何东西中。当它弯曲时，这是内在的弯曲这改变了空间部分之间的关系，而不是粘性物相对于它所填充的更大空间的弯曲。
但仅仅因为我们的太空黏液没有需要坐在别的东西里面并不意味着它是不坐在别的东西里面。也许我们所谓的空间实际上位于某个更大的“超空间”中。6也许那个超空间就像一个无限的虚空，但我们不知道。
宇宙中没有空间的部分可能存在吗？换言之，如果空间是黏液，那么是否可能没有黏液，或者没有黏液？这些概念的含义不是很清楚，因为我们所有的物理定律都假设空间的存在，那么什么定律可以在空间之外运行呢？我们不知道。
事实上，这种对空间作为一种事物的新理解是最近才出现的，而我们正处在理解空间是什么的最开始。在许多方面，我们仍然受到直觉观念的束缚。当早期的男人和女人在狩猎和寻找史前香菜时，这些观念对我们很有用，但我们需要打破这些观念的束缚，认识到空间与我们想象的大不相同。
关于弯曲空间的直接思考
如果你的大脑还没有被这些黏糊糊的空间弯曲概念所伤害，这里有另一个关于空间的谜题:空间是平的还是弯曲的(如果它是弯曲的，它是朝哪个方向弯曲的)?
这些都是疯狂的问题，但一旦你接受了空间是可塑的这个概念，就不难问了。如果空间可以在
有质量的物体周围弯曲，它是否会有一个整体的曲率?这就像问我们的黏液是不是平的:你知道如果你推它上的任何一点，它会抖动和变形，但它是否会整体下垂?还是坐得笔直?你也可以问这些关于太空的问题。
回答这些关于太空的问题将对我们对宇宙的认识产生巨大的影响。例如，如果空间是平坦的，这意味着如果你永远沿着一个方向运动你就可以一直走，可能一直走到无穷大。
但如果空间是弯曲的，那么可能会发生其他有趣的事情。如果空间总体上是正的曲率，那么朝着一个方向走可能会让你绕圈，从相反的方向回到同一个点!这是有用的信息，例如，如果你不喜欢有人在背后偷偷接近你。
解释弯曲空间的概念是非常困难的，因为我们的大脑根本不具备想象这些概念的能力。为什么会这样？我们的大部分日常经验（如躲避捕食者或寻找钥匙）都是处理一个看起来相当固定的三维世界（尽管如果我们曾经受到能够操纵空间曲率的高级外星人的攻击，我们希望我们也能很快找到答案）。
空间有曲率意味着什么?想象它的一种方法是，暂时假装我们生活在一个二维世界里，就像被困在一张纸里一样。这意味着我们只能向两个方向移动。现在，如果我们生活的这块床单完全是直的，我们就说我们的空间是平的。
但如果因为某种原因，这张纸是弯曲的，那么我们说空间是弯曲的。
纸有两种弯曲的方式。它可以向一个方向弯曲(称为“正曲率”)，也可以向不同的方向弯曲，比如马鞍或品客薯片(这被称为“负曲率”或“破坏你的饮食”)。
这里有一个很酷的部分：如果我们发现空间到处都是平的，这意味着这张纸（空间）可能永远存在。但如果我们发现空间的每个地方都有正曲率，那么只有一种形状的每个地方都有正曲率：一个球体。或者更专业地说，是一个球体（即土豆）。这是我们的宇宙绕着自身循环的一种方式。我们都可能生活在一个土豆的三维空间中，这意味着无论你朝哪个方向走，你最终都会回到同一个地方。
在这种情况下，我们确实有一个答案，那就是空间看起来是“相当平坦”的，因为空间与平坦的差距在0.4%以内。科学家们通过两种截然不同的方法，计算出空间(至少是我们能看到的空间)的曲率非常接近于零。
这两种方式是什么？其中一种方法是测量三角形。关于曲率的一个有趣的事情是，曲线空间中的三角形与平面空间中的三角形不遵循相同的规则。回想一下我们的纸上类比。在平面纸上画的三角形看起来与在曲面上画的三角形不同。
科学家通过观察早期宇宙的图片并研究图片上不同点之间的空间关系，完成了测量三维宇宙中绘制的三角形的等效工作。他们发现他们测量的三角形与平坦空间的三角形相对应。
我们知道空间基本上是平的另一种方式是通过观察首先导致空间弯曲的东西：宇宙中的能量。根据广义相对论，宇宙中存在一定数量的能量（实际上是能量密度），这将导致空间向一个方向或另一个方向弯曲。事实证明，我们在宇宙中所能测量的能量密度，正是使我们所能看到的空间完全不弯曲所需的正确数量（误差在0.4%以内）。
你们中的一些人可能会失望地了解到，我们并不是生活在一个很酷的三维宇宙土豆中，如果你永远朝着一个方向走，它就会绕圈。当然，谁没有梦想过像埃维尔·克尼维尔(Evel knievel)那样骑着火箭摩托车绕着整个宇宙旋转呢?但是，与其因为我们生活在一个枯燥乏味的宇宙中而感到失望，你还不如对它感兴趣。为什么?因为据我们所知，我们生活在一个平坦的宇宙中，这是一个巨大的宇宙层面的巧合。
想想。宇宙中所有的质量和能量是空间弯曲的原因(记住质量和能量会扭曲空间)，如果我们有比现在多一点的质量和能量，空间就会向一个方向弯曲。如果比现在小一点，空间就会向另一个方向弯曲。但我们似乎做到了只是就我们所知，适当的量可以使空间完全平坦。事实上，精确的数量大约是每立方米空间5个氢原子。如果我们有六个每立方米空间的氢原子，或四个，整个宇宙会有很大的不同（曲线和性感，但不同）。
它变得更奇怪了。由于空间的曲率影响着物质的运动，而物质又影响着空间的曲率，所以存在反馈效应。这意味着，在宇宙早期，如果物质太多或不够多，我们在这个临界密度下无法使空间平坦，那么它就会把物质推得更远。现在空间要变得相当平坦就意味着它必须是平坦的极在早期宇宙中是扁平的，或肯定有别的东西让它保持平坦。
这是太空中最大的谜团之一。我们不仅不知道空间到底是什么，我们也不知道它为什么会是这个样子。我们对此事的了解似乎下降了……平的。
空间的形状
当谈到空间的本质时，空间的曲率并不是我们唯一有深刻疑问的东西。一旦你接受空间不是一个无限的虚空，而是一个可能无限的具有属性的物理事物，你就可以问关于它的各种奇怪的问题。例如，空间的大小和形状是什么?
空间的大小和形状告诉我们有多少空间以及空间是如何与自身相连的。你可能会认为，由于空间是扁平的，形状不像土豆或马鞍（或马鞍上的土豆），所以空间的大小和形状的概念毫无意义。毕竟，如果空间是平的，那就意味着它必须永远持续下去，对吗？不一定！
空间可以是平坦的和无限的。或者它可以是平的，并且有一个边缘。或者，甚至更奇怪的是，它可能是平坦的还绕着它自己转。
空间怎么会有优势？事实上，即使空间是平的，也没有理由说它没有边界。例如，圆盘是具有光滑连续边缘的平面二维表面。也许三维空间在某些点上也有一个边界，这要归功于其边缘的一些奇怪的几何特性。
更有趣的是 空间可能是平的 仍然在自己周围循环。信息技术 就像玩一个 那些电子游戏（比如小行星或吃豆人)如果你搬去哪里 在屏幕边缘之外 你只是出现在另一边。空间也许能够以某种我们还没有完全意识到的方式与自身相连。例如，虫洞是广义相对论的理论预测。在虫洞中，空间中两个相距遥远的不同点可以相互连接。如果空间的边缘都以类似的方式连接在一起呢？我们不知道。
量子空间
最后，你可以问，空间是否实际上是由微小的离散空间组成的，比如电视屏幕上的像素，还是无限平滑的，以至于你可以在空间中的两点之间有无限个位置?
古代的科学家可能没有想到空气是由微小的离散分子组成的。毕竟，空气似乎是连续的。它的作用是填充任何体积，它有有趣的动力学特性(如风和天气)。然而，我们知道，我们喜欢空气的所有这些东西(在凉爽的夏日微风中，它如何轻轻拂过你的脸颊，或者它如何让我们免于窒息)，实际上是数十亿单个空气分子的综合行为，而不是单个分子本身的基本属性。
平滑的空间场景对我们来说似乎更有意义。毕竟，我们在空间中移动的经验是我们以一种简单的、连续的方式在空间中滑翔。我们不会像电子游戏角色在屏幕上移动时那样从一个像素跳到另一个像素。
还是我们?
根据我们目前对宇宙的理解，它确实是更多的令人惊讶的是，如果空间被证明是无限平滑的。那是因为我们知道其他的都是量子化的。物质是量子化的，能量是量子化的，力是量子化的，女童子军饼干是量子化的。此外，量子物理学表明，可能有一个最小的距离是有意义的，大约是10−35米。7所以从量子力学的角度来看，空间量子化是有意义的。但是，我们真的不知道。
但不知道并没有阻止物理学家想象疯狂的可能性！如果空间是量子化的，这意味着当我们在空间中移动时，我们实际上是从一个小位置跳到另一个小位置。从这个角度来看，空间是一个连接节点的网络，就像地铁系统中的车站一样。每个节点表示一个位置，节点之间的连接表示这些位置之间的关系（即，哪个位置紧挨着哪个位置）。这与空间只是物质之间的关系的观点不同，因为这些空间节点可以是空的，并且仍然存在。
有趣的是，这些节点不需要坐在更大的空间或框架内. 他们可能只是。。。是在这个场景中，我们称之为空间的只是节点之间的关系，宇宙中的所有粒子都只是这个空间的属性，而不是其中的元素。例如，它们可能是这些节点的振动模式。
这并不像听起来那么牵强。目前的粒子理论是基于充满整个空间的量子场。一个字段意味着有一个数字，或一个值，与空间中的每一个点相关联。在这个观点中，粒子只是这些场的激发态。所以我们不是也远远不是这样的理论。
顺便说一下，物理学家喜欢这种想法，即一些对我们来说似乎是基本的东西(比如空间)偶然地从更深的东西中出来。这给他们一种感觉，即我们在帘子后面窥视，发现了现实的更深层次。有些人甚至怀疑空间节点之间的关系是由粒子的量子纠缠形成的，但这只是一群过度兴奋的理论家的数学推测。
太空之谜
如果 你已经读到这里，或者深刻理解它，或者只是把你无意义的警报静音，那么我们应该毫不犹豫地探索关于太空的最疯狂的概念(是的，它变得更疯狂了)。
如果空间是一个物理的东西——而不是背景或框架——具有诸如扭曲和涟漪等动态特性，甚至可能是由空间的量子化块构建的，那么我们不得不思考:什么其他的空间能做什么?
就像空气一样，它可能有不同的状态和阶段。在极端条件下，它可能会以非常出乎意料的方式排列自己，或者具有奇怪的出乎意料的特性，就像空气以液体、气体或固体的形式表现出不同的行为一样。也许我们所知道、喜爱和占据的空间（有时比我们想要的更多）只是一种罕见的空间类型，而宇宙中还有其他类型的空间正等待着我们去发现如何创造和操纵它们。
我们必须回答这个问题的最有趣的工具是空间被质量和能量扭曲的事实。为了理解空间是什么以及它能做什么，我们最好的办法是通过仔细观察大规模质量正在挤压和拉紧它的地方，将它推向极端：黑洞。如果我们能够探索黑洞附近，我们可能会看到空间被粉碎和切割，导致我们的无意义警报爆炸。
令人兴奋的是，我们比以往任何时候都更接近于能够探测这些极端的空间变形。以前，我们对在宇宙中移动的引力波的涟漪充耳不闻，而现在，我们有能力聆听宇宙事件，这些事件正在撼动和扰乱宇宙的粘性物质。也许在不久的将来，我们将更多地了解太空的确切性质，并解决这些围绕在我们周围的深刻问题。
所以不要空出空间。并在你的大脑中为答案留出一些空间。
豪尔赫·占姆(Jorge Cham)是这部广受欢迎的网络漫画的创作者越积越深,，亦称为博士漫画。他获得了博士学位。斯坦福大学机器人学系。
丹尼尔·怀特森是加州大学欧文分校的实验物理学教授，也是美国物理学会的会员。他利用欧洲核子研究中心的大型强子对撞机进行研究。
从我们不知道：未知宇宙的向导版权所有©2017由豪尔赫·查姆和丹尼尔·怀特森出版。
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