想象這樣一個場景：如果把周圍的一切物體，包括所有的人群、汽車、建筑物、星球、粉塵甚至是氣體分子全部移走，還剩下什么？

直觀來看，我們能夠想象的世界應該是這樣的：

空無一物的空間

所以，正確答案看上去應該是“什么也沒有”，可是我們的答案并不完全是對的。

因為當我們把所有的一切都移走后，剩下的是空無一物的空間，而大量的研究發(fā)現(xiàn)，空無一物的空間并非什么也沒有。

空間本身就是一種事物，跟我們?nèi)粘Ｉ钪械氖挛镆粯?，只不過空間的性質(zhì)不易被人覺察。

事實上，空間如此真實，你可以使它彎曲，可以使它扭曲，也可以使它震蕩。

不可否認，這空蕩蕩的空間，幫助塑造了我們的這個世界，組成了宇宙的基本構造……

只有領悟了空間的真正含義，才能更好地認識我們周圍的世界。

那么，到底什么是空間？

   絕對空間   

早期，對空間本質(zhì)的探索可以追溯到英格蘭物理學家、數(shù)學家、天文學家與自然哲學家艾薩克·牛頓。

艾薩克·牛頓

牛頓考慮了被繩子吊著的一桶水的運動，該實驗主要分為三個步驟：

（a）將桶吊在一根長繩上，多次旋轉水桶擰緊繩子，此刻的水面是水平的。

（b）水桶被松開后開始旋轉，但桶內(nèi)的水還沒有跟著水桶一起旋轉，水面仍保持水平。

（c）水桶旋轉一段時間后，水桶表面的摩擦力帶動水一起旋轉，水的表面形成凹面，并逐步與水桶轉速保持一致。

這時，水和水桶之間呈相對靜止狀態(tài)。

也就是說，相對于桶，水是不動的，但水面卻仍然呈凹狀。

牛頓的水桶實驗

該現(xiàn)象在我們生活中顯然是成立的，并且不受周圍環(huán)境的干擾。

那么，我們把水桶周圍所有的物體移走后該現(xiàn)象仍然成立。

那到底是什么原因使得水面仍然能保持凹狀呢?

牛頓解釋為：水在相對于空間旋轉。

牛頓認為：空間就是一個空曠的舞臺，它為世界萬物的發(fā)展提供了一個框架。

同時，該舞臺是消極的，絕對而永恒并始終保持不變。

世界萬物不會影響空間，而空間也不會影響萬物的發(fā)展。

這就是牛頓的絕對空間。

   時空   

牛頓的絕對空間理論取得了巨大成功，在此基礎上發(fā)展的運動定律幾乎被應用到了各個領域。

直到20世紀上半葉，這一理論被一個工作在瑞士郵政局的小職員阿爾伯特·愛因斯坦顛覆了。

愛因斯坦的理論主要來源于對光速保持恒定的思考。

即無論我們的運動速度有多大，即使我們接近光速去運動，也并不能改變我們看到的光速大小。

愛因斯坦認為，速度是物體在空間中隨時間移動的度量單位。

既然光速保持不變，那也就說明空間與時間可以協(xié)同工作來保證這一點永遠成立。

時間與空間都不再是絕對不變，而是以一種特殊的方式相互影響與配合。

這便是我們熟悉的時間延緩與長度收縮效應。

因此，根據(jù)愛因斯坦的觀點，時間與空間不再是嚴格與絕對的。

相反，它們在運動中相互融合，并形成了一個我們所熟悉的詞匯—時空。

   空間彎曲   

牛頓的萬有引力理論指出：任何物體之間都有相互吸引力，這個力的大小與各個物體的質(zhì)量成正比，而與它們之間距離的平方成反比，并能夠準確求解這個力的大小。

然而，萬有引力理論卻無法說明引力是如何作用于兩個物體的。

愛因斯坦對這一問題進行多年研究后發(fā)現(xiàn)，空間比他原來預想的更加具有可塑性，它可以像真實物體一樣伸縮。

愛因斯坦認為，當沒有任何物質(zhì)與能量存在時，空間應該是平直的。

以二維空間為例，此刻的空間應該像一張光滑的桌面，如圖所示。

平直空間示意圖

而如果在該桌面中間放置一個大質(zhì)量物體，則桌面會發(fā)生變形，形成一個彎曲的二維空間，如下圖所示。

彎曲空間示意圖

空間結構因大質(zhì)量物體的存在而發(fā)生彎曲，空間不再僅僅是被動的宇宙活動的舞臺，其形狀還反映了周圍的環(huán)境事物。

而當大質(zhì)量物體附近經(jīng)過一個小物體時，彎曲的空間便會影響它的運動。

如果我們給小物體以適當?shù)乃俣群头较?，它便可以沿著由大質(zhì)量物體產(chǎn)生的凹陷結構運動，這便是引力的來源。

也就是說，引力并不是兩個物體之間的某種神秘力量，而不過是因為物體彎曲空間造成的。

   卡西米爾效應   

就在愛因斯坦從宏觀層面對空間的性質(zhì)做出解釋的同時，另一群人也從微觀角度對空間的本質(zhì)做了大量研究。

在微觀尺度下，即使我們移走所有的粒子，空間仍然并非空無一物，而是不斷有粒子在憑空出現(xiàn)，但又很快相互撞擊消亡。

1948年，一位名叫卡西米爾的科學家認為，我們可以通過實驗來觀察這些粒子對空間的影響。

亨德里克·卡西米爾

他的實驗是這樣的：假設我們把兩個普通的金屬薄片盡可能靠在一起，緊密到薄片之間無法容納其它任何事物。

那么大量粒子便會被擠出兩個薄片之間，造成平板之間的壓力小于平板兩側的壓力，薄片將會靠攏。

也就是說，薄片可以被近乎真空的空間所吸引。

這一實驗被證明是成立的。

所以從微觀角度看，空蕩蕩的空間并非是完全沒有任何東西，空間里面雜亂無章的粒子運動足以使物體發(fā)生移動。

圖6 卡西米爾效應

   希格斯場   

希格斯場以物理學家彼得·希格斯姓氏為名，是一種假定遍布于整個空間的量子場。

1964年，希格斯為了解釋為什么宇宙中的基本粒子具有質(zhì)量以及為什么不同的粒子具有不同的質(zhì)量而提出了希格斯機制。

粒子獲得質(zhì)量的機制可以形象地做如下理解。

假設空間像一個房間，房間里面是形形色色的人，每個人都可以看成是一個粒子，當人在房間里移動的時候便獲得了質(zhì)量。

可是，每個人的名氣不同，移動的阻力也就不盡相同。

對普通人而言，關注的人很少，所受阻力很小，可以在人群中自由穿行，他們的質(zhì)量也就較小。

而對于某些超級巨星而言，關注的人很多，移動的阻力就大，他們也就不得不推推搡搡前進，他們的質(zhì)量也就越大。

不過，盡管希格斯在1964年便提出了自己的觀點，可是直到2012年，希格斯粒子才在實驗中被發(fā)現(xiàn)。

希格斯因此獲得2013年諾貝爾物理學獎。

此時距離他提出希格斯場已經(jīng)過去了50年，而他本人也已經(jīng)84歲了。

希格斯粒子是希格斯場的振動，希格斯粒子的存在明確證實了希格斯場確實存在于空間，就好像觀察海面的波浪可以推論出大海的存在。

2013年諾貝爾物理學獎獲得者彼得·希格斯

希格斯場的證明是一個舉足輕重的里程碑，它證明了空無一物的空間具有一些基本而重要的屬性，能夠對一切物體產(chǎn)生影響。

   暗能量   

暗能量的提出在于科學家對宇宙終極命運的思考。

大多數(shù)科學家認為空間的膨脹速度會在引力的作用下逐漸變慢。

可是對宇宙的觀測結果表明，宇宙膨脹并沒有顯示出任何減慢的跡象。

相反，目前的宇宙膨脹仍在不斷加快。

也就是說，我們通常認為空無一物的空間，一直是宇宙膨脹的動力來源。

對此，科學家提出了一個觀點，有某種填充在空間中的物質(zhì)抵消了引力對空間的影響，這種物質(zhì)就是暗能量。

而進一步的觀測數(shù)據(jù)更是表明，暗能量竟然占據(jù)了宇宙的70%。

也就是說，空間本身的重量占據(jù)了宇宙總重量的70%，基本上等于地球表面被水覆蓋的面積占地球總面積的比例。

以上描述基本總結了人類在科學發(fā)展過程中對空間認識的轉變過程。

牛頓時代的空間只是萬物表演的舞臺，而到了愛因斯坦手里，空間與物體可以相互作用。

接著卡西米爾的金屬薄片證明了空間可以使物體發(fā)生移動。

而現(xiàn)在，希格斯粒子和暗能量的出現(xiàn)，則表明絕對空虛的空間自身更是有著某些基本而重要的屬性。

當然，除去上述主流的對空間的認識，還有一種吸引人的對空間理論。

那就是全息宇宙理論。

該理論認為，你、我以及空間本身也許只是一個二維平面的信息投影。

該理論來源于人類對黑洞的研究。

一個物體被扔進黑洞后，該物體包含的所有信息會被分解然后存儲在黑洞表面，該過程十分類似于計算機的存儲原理。

理論上，我們只要使用黑洞表面的信息，便可以在黑洞外面重新解析并塑造這一物體。

最終，黑洞內(nèi)的空間依然按照黑洞外的空間法則和規(guī)律運作。

所以，如果黑洞內(nèi)的物體可以被黑洞表面信息所描述。

那么，宇宙中的任何物體甚至是空間本身，也只不過是一些存儲遙遠的二維平面上的信息投射在我們眼前。

換句話說，我們在現(xiàn)實世界所經(jīng)歷的一切，只不過是類似于全息影像的東西。

該理論是如此新穎以至于現(xiàn)在仍有許多人在試圖去明白它。

可以看到，空間作為我們?nèi)粘Ｉ钪凶畛Ｒ妳s又如此重要的部分，始終像一個熟悉的陌生人，直到現(xiàn)在我們都無法完全理解。

然而，每一次對空間的重新認識，都造成了科學的里程碑式發(fā)展。

我們有理由相信，當我們真正明白什么是空間的那一天，我們對整個宇宙的認識將也更進一步。