太空的奥秘

 

宇宙就像一个巨型空心球。即使在地球上，我们身处其中的丰富世界也不过是一种假象。如果扣除原子内未被占据的空间，我们所有人加起来也只占了一块方糖大小的空间。不过，空间的物质密度高达每立方厘米5亿吨。

地球外的太空没有原子那么空。想象力丰富的科幻小说家有时把太阳系内行星的公转类比于围绕原子核运动的电子。实际上，这个比喻不是很贴切。相对于其构成物的个头而言，原子要比太阳系空旷一万倍。然而，在行星和恒星之间，我们的肉眼或者望远镜还是什么也看不到。

 

从太阳附近到星际空间、再到星系际空间的边缘，太空的平均密度下降得非常快。（图片来源：ASTRONOMY：ROEN KELLY）

“空”的纷扰

从有记载的人类历史起，太空的奥秘一直困扰着人类。古希腊人——强迫性逻辑学家——认为天空中看起来空无一物的区域不可能真是空的，因为“空”是不存在的。他们认为，如果我们说空间是空的，就应该把动词“是”拿掉——因为“是”意味着存在，如此才能否定它。他们由此认为“某东西是空的”这样的说法自相矛盾。这就如同说“你在跑，又没在跑。”

 

烟斗星云（编号巴纳德59）是暗星云。星云中致密的尘埃涡状团块阻挡了其身后银河系的星光，正因如此，它才得以显露出来。（图片来源：ESO）

 

接下来是坚守“不存在什么都没有”的信条、唱诵“阿门”的宗教信徒：既然上帝无处不在，就不可能存在什么都没有的真空。而且，许多18、19世纪的科学家认为光是波，只能在某种介质中传播。声波的传播需要借助空气。因此，路上的行人才能听到汽车里的音响发出的重低音乐曲。同样地，太阳或者恒星发出的光也需要借助某种介质才能把光波的振动从恒星那里传到我们这里。厌恶“空”的人群包括科学家、宗教信徒和哲学家。他们说了算。如果你支持“空”，你会被视为疯子——尽管总会有那么几个持异议者，例如著名的数学家和物理学家布莱兹·帕斯卡（Blaise Pascal）。这种充满宇宙的假想介质最初被称为plenum，后来又叫以太。在几百年里，人们对它的存在深信不疑。

以太不存在的证据

1887年的迈克尔逊-莫雷（Michelson-Morley）实验（历史上最著名的一次实验）给以太的存在带来重重的一击。阿尔伯特·迈克尔逊（Albert Michelson）认为，如果地球在以太中穿行，那么，沿地球运动方向传播的光束将会被加速。它的反射光波应该会比沿垂直地球运动方向传播的光束的反射光运动得快。在爱德华·莫雷（Edward Morley）的协助下，迈克尔逊把一台仪器固定在一个浮在水银中的、稳定的水泥平台上。这个多镜面仪器可以随意旋转，同时不发生倾斜。实验结果无可争议：在“以太流”中往返横穿的光束与沿地球运动方向传播出去、又反射回来的光束花费的时间几乎一样长。这说明，要么地球在公转的时候停住了，要么以太根本不存在。

 

阿尔伯特·迈克尔逊（Albert Michelson）与爱德华·莫雷（Edward Morley）的实验证实以太根本不存在。（图片来源：COURTESY OF THE SMITHSONIAN LIBRARIES, WASHINGTON, D.C.）
 

几年后，阿尔伯特·爱因斯坦彻底解决了这个问题。1905年，他在《狭义相对论》中证明光能够在真空中传播。无需借助任何物质，电磁波动便可以传播出去。

这真是个好消息。其实，认为行星可以毫无阻碍地在某种介质中穿行简直毫无道理。我们可以摆脱以太了。现在，形势完全转向了另一边，人人都喜欢“空无一物”了。甚至连宗教也不再厌恶真空了。

风中之尘

啊，别那么快就认定太空真的空无一物。遥远恒星的光谱带有其途经的物质产生的吸收线。毕竟，太空里还存在着一些稀薄的物质——绝大多数都是氢原子，还有类似质子、电子这样的原子构成物。简单的计算表明，平均来讲，每立方厘米的太空中就漂浮着一个原子。

太空到底有多“空”，取决于其邻近的区域。在我们附近，太阳不断发射粒子流。上世纪50年代，物理学家Gene Parker把它称为太阳风。第一批上天的人造卫星证实了太阳风的存在——其平均密度为一块方糖大小的体积内有3-6个原子。这个密度足以催生出彗星的彗尾，就像机场的风向袋标示出风的方向，彗尾总是指向远离太阳的方向。

除了那些吸收谱线，持续轰击地球的宇宙射线也支持太空中存在稀薄的星际介质。据推测，这些宇宙射线源自于遥远的猛烈爆炸事件，例如超新星爆发——在此过程中，恒星被炸成碎片，碎屑四处飞溅。不过，让人百思不得其解的是，宇宙射线粒子有99%都是质子和原子核。如果宇宙中的电子和质子数目一样多，为什么宇宙射线主要由质子组成？虽然宇宙射线的存在表明了太空中到处都有粒子，但这个疑问仍然没有解答。

还有一些几乎没有“存在感”的粒子。它们径直穿过绝大多数物质，其质量小到几不可测。宇宙中到处都有中微子。还有各种光子。除了粒子，宇宙中还弥漫着“场”。磁场和电场在太空中四处流转。引力波也以其独特的韵律在宇宙中传播。因此，尽管它们所占的份额不大，太空里还是存在着不少东西的。

 

虽然我们能够由星系的相互作用推知暗物质的存在，但数值模拟可以描绘宇宙中暗物质的分布，把塑造宇宙的巨大暗物质框架展现在我们眼前。（图片来源：THE EAGLE COLLABORATION / J. SCHAYE / R. BOWER / J. BORROW）

 

空的威力

最令人着迷的或许是宇宙中无所不在的“真空能”。上世纪30年代，科学家们假定真空有“真空能”。它也被称为零点能，是宇宙最根本的基质。虽然神秘莫测，我们还是有理由相信它确实存在。例如，1948年，荷兰物理学家Hendrik Casimir揭示了在真空能的波动作用下，彼此靠得很近的金属片能够贴合得非常紧密（金属片间的微小空隙限制了能量波，迫使金属片没有“喘息的空间”来对抗外面的压力）。

绝大多数物理学家都相信是真空能产生了Casimir效应。虽然计算得到的真空总能量数值差异极大（事实上，理论预测与测量结果相差了100个数量级，这也被称为真空危机），但它却至关重要。粗略估计，如果真空能能够被提取、利用，一个蛋黄酱罐子那么大的空间所包含的真空能足以在一秒钟内煮沸太平洋。粒子-反粒子对不停歇地迅速产生又转瞬消失似乎是这个潜在能量的源头。整个宇宙虽然看似空无一物，却暗涌着如此巨大的能量，几乎不能自持了。

 

我们看到的、触摸到的、或者影响到物质其实只占了整个宇宙的很小一部分，这么想可能令我们颇为不安。（图片来源：ASTRONOMY: ROEN KELLY）

 

这或许就是促使宇宙膨胀的“暗能量”。如果它真是导致宇宙大爆炸的根本原因，那么宇宙将会一直膨胀下去。而这一切都是“空”的功劳。

 

爱德温·哈勃观测了许多星系—— 包括风车星系（M101，上图），得到了令人吃惊和不安的发现——宇宙空间正在膨胀。（图片来源：NASA / ESA / K. KUNTZ (JHU) / F. BRESOLIN (UNIVERSITY OF HAWAII) / J. TRAUGER (JET PROPULSION LAB) / J. MOULD (NOAO) / Y.-H. CHU (UNIVERSITY OFILLINOIS, URBANA) / STScl）

 

与视角有关

虽然稀奇古怪，但还能接受。不过，更难理解的是另一种完全不同的“空”——一种把符合逻辑的太空转变成谜一般令人费解的“空”。自上世纪90年代晚期，实验已经证实了量子理论提出的量子纠缠。两个光子或者物质实体、甚至物质团块一同产生，然而彼此分离、各自为生，却总能“知晓”对方的状态。如果测量或者观测其中一个，另一个就会知道发生了什么，并且立刻相应地改变性质。无论两者相隔多远，都好似一枚硬币的两面，不仅知道彼此所处的状态，还能步调一致，没有任何空间上或者时间上的延迟。

这强有力地说明，在某种程度上，物体并非真正地彼此分隔、不通消息。“空”完全不是我们所认为的那样。如果彼此相隔遥远的物体之间也能够有联系，所谓的空间或者间隔又有什么意义呢？

等一下，还有更糟糕的。爱因斯坦的相对论指出，时空不是恒定不变的，因此，从本质上来说，它不是独立存在的。高速运动会使时空收缩。当我们在星空下漫步，我们会惊诧于恒星的遥远与宇宙的浩渺无垠。但是，这些距离取决于我们观察的视角——爱因斯坦称之为“参考系”，这已经被反复证明过了。因此，没有本质上固定不变的真实存在。这样说并不是在否定太空，只是说它是不确定的。

如果我们生活在强引力场中或者正在高速运动，恒星与我们的间距就会完全不同。如果我们以光速的99%朝着南河三（小犬座阿尔法星）飞去，我们会发现它离我们不到2光年远，而不是之前测量的11光年远。如果我们以同样快的速度横穿一个6米长的客厅，客厅的实际长度就会是3米。如果我们的运动速度达到光速的99.9999999%（这完全不违反物理定律），客厅的长度就会仅比句尾的句号长度长一点点。那么，值得我们信赖的空间量度在哪里？我们观测恒星、星系时所依赖的尺度框架又在哪里呢？

 

从此处运动到彼处要花多少时间？若以接近光速的速度运动，等待朋友回家的漫长时光会过得好像短途旅行一般快。（图片来源：ASTRONOMY: ROEN KELLY）

 

头脑中的幻象？

更抽象一点说，我们甚至可以质疑太空究竟是真实的物理存在，还是仅仅为了解释我们看到的一切而在头脑中想象出来的。我们对多维物体的感觉是否是生物体逻辑思维的一部分？

我们之中的绝大多数人把太空视为没有墙的广阔区域。这个没有边界的巨大体积内，藏着数不清的物体。只有每一个物体都是孤立存在，并有可识别的性状，我们才会把它们视为独立个体。此外，要将它们一一区分开，还需要它们彼此间隔。

但是，如果这些物体只不过是更加强大的、更基本的真空能（因为无法看到而不为人知）的一点点物质化表现呢？换一种思路，除了用空间分隔开物体，我们能否看到它们更加基本的同一性？如果已知的物体被我们的大脑用颜色、形状或者用途来区分，我们也许要问一问，太空究竟是真实存在，还是只是感觉而已。

也有一小部分人意识到，观测者和宇宙彼此关联。按此推理，“外在”的太空只是意识的延续。除了观测者，别无他物。如果真是如此，那最遥远的地方不在别处，就在我们的大脑中。好吧，让我们暂时忘记这一点，因为，要证明这不是疯话需要花费一百页篇幅去解释。

总之，我们有多个理由说明空间并非我们过去所认为的、仅仅是分隔物体的空白区域。要不要我们逐一列举一下理由？：（1）真空不空，特别是当我们想到还有各种场、光子、中微子、真空能和瞬态粒子对存在的时候。（2）物体的间距依赖于许多的相对条件，没有绝对固定不变的距离。（3）相隔遥远的物体是否真正地、完全地彼此分离？量子理论对此抱有严重的怀疑。（4）我们把分隔开物体的区域称为空间，只是因为语言和习惯让我们为其划定边界。太阳内部的原子之间和原子内的巨大空间也能被称为“外部空间”吗？

太空带给我们的精神折磨毫无停止的迹象。理论物理学家想知道，是否存在最小的、无法再细分的空间；一些人说有。另一些人则提出，除了三维空间和第四维时间外，还存在更多维数的空间。复杂的数学论证可以证明我们看不见的多维空间是有可能存在的。但另一方面，不少科学家认为，多维空间只是推测，它们的存在与否只能由实验或者观测来证实。

即使删掉那些听上去古怪离奇的内容，也还有许多问题值得我们深思。让我们不妨从一个简单的问题开始：宇宙的主要部分——太空是什么？

让我们开动脑筋，好好思考一下吧。

 

上面这些图片分别以百倍或者千倍放大占据空间的物体（单位是米）。然而，从最大的星系团到最小的原子，无论哪一级，物体本身的大小都远远小于物质间的距 离。10的26次方：可观测的宇宙；10的23次方：星系团；10的21次方：星系；10的18次方：星团；10的16次方：奥托云；10的13次方：太 阳系；10的11次方：地球的公转轨道；10的8次方：月球的公转轨道；10的6次方：地球；10的3次方：美国巴尔的摩的内港；10的0次方：人；10 的-2次方：人类手指的指尖；10的-4次方：皮肤；10的-6次方：细胞；10的-9次方：蛋白质；10的-11次方：碳原子；10的-14次方：碳原 子核；10的??次方：夸克。（图片来源：10的26次方：ESA / PLANCK COLLABORATION; 10的23次方：NASA / ESA / M. MONTES (IAC) / J. LOTZ, M. MOUNTAIN, A. KOEKEMOER, HFF TEAM (STScl); 10的21、18次方：NASA / ESA / HUBBLE HERITAGE TEAM (STScl 、 AURA)；10的26、13、11、8次方：ASTRONOMY: ROEN KELLY；10的6次方：NOAA / NASA GOES PROJECT; 10的2次方：THINKSTOCK; RON CHAPPLE STOCK / RON CHAPPLE STUDIOS; 10的0次方：PIXLAND; 10的-2次方：THINKSTOCK / ISTOCK; DENYS PRYKHODOV; 10的-4次方：JEKA 1984; 10的-6次方：UGREEN; 10的-9次方：RAILELECTROPOWER; 10的-11、-14、??次方：ASTRONOM：ROEN KELLY）