张 喆 天津市天文学会会员 天津科技馆科普辅导员 读书会共读老师 这一期咱们继续来说空间的话题,空间这个概念普通到人人都知道,但如果要追问一句——空间到底是什么,那恐怕就很少有人能讲清楚了。空间就是空间,它无处不在,空间没有大小也没有边界更没有形状,我们更无法想象扭曲的空间是什么样的。这其实很正常,人类自己就生活在三维空间之中,是不可能真正形象直观地去认识三维空间的,不识庐山真面目,只缘身在此山中。但是,我们还是可以通过一些类比和实验,来探究一下三维空间的形状。 我们先把目光从三位转向二维,去看一下二维世界的形状。 假如有一位生活在二维世界的科学家,我们称之为纸片科学家,那他肯定也跟我们一样,无法直观地去观察自己所处的世界到底是什么形状。如果纸片科学家跟大家说,我们生活的世界根本不是一个平面,而是一个曲面,那估计大家肯定不信。那有没有什么办法,能让纸片科学家验证自己的说法呢?还真有。用一个简单的三角形就可以。在平面几何里有个常识,三角形的三个内角之和等于180度。但是,这个规律,只在平面几何中才成立,在曲面中不成立。我们在地球仪上取三个比较特殊的点,分别是北极点以及赤道上的东经0度和东经90度,将这三点用线连起来的话你会发现这个三角形的每一个内角都是90度,三个内角之和已经超过了180度。如果你在马鞍形的平面上测量一个三角形的话,这个数字就会小于180度。他可以在二维世界里选三个点,然后在三个点之间连上绳子,拉直,然后去测量这三角形的三个内角之和。如果结果刚好等于180度,那就说明它们的世界是一个平面,如果结果不是180度,那就验证了纸片科学家的说法,他们生活的世界是一个曲面。而且通过最终的结果大小,还能看出这个曲面究竟是球形还是马鞍形。这个方法简单有效,能让纸片科学家在不跳出自己二维世界的情况下,来认识自己空间的形状。更妙的是,我们人类也可以采用类似的办法,来认识三维空间的形状。在爱因斯坦的广义相对论中,有一个极其重要的假设,就是大质量的物体,会让周围的空间发生弯曲。而且质量越大,空间的弯曲就越厉害。这个预言是怎么验证呢?我们可以采取跟纸片科学家们类似的方法来验证:先选取两颗除了太阳以外很遥远的恒星,然后用线把地球和这两颗恒星连起来,组成一个三角形。接下来,我们测量这个超级三角形在地球这一端的夹角。因为我们要验证的是“太阳周围的空间是不是发生了弯曲”,所以,当太阳靠近这个三角形的时候,我们测量一次,等太阳远离这个三角形的时候,我们再测量一次,如果两次测到的结果不一样,就说明太阳导致了空间的扭曲。 当然了,在实际操作中,科学家是利用光线来完成实验的,因为光总是沿最短的路线传播。而且为了避免太阳光对光线的干扰,还要在太阳光线最弱的日全食的时候才能进行试验。在1919年,一支英国的天文队伍在西非的普林西比群岛利用这种方式,成功验证了爱因斯坦的相对论。他们发现,地球和两颗恒星之间的夹角,在有太阳干扰,和没有太阳干扰的情况下出现了微小的差异,他们发现,这种角距差异是1.61″±0.30″,爱因斯坦理论的预测值则是1.75″。随后的不同探险队也得到了类似结果。当然,一秒半不是一个很大的角度,但它足以证明太阳的质量的确会使周围空间出现弯曲,说明太阳的确扭曲了周围的空间,广义相对论由此得到了验证。 即使我们知道了空间是可以弯曲的,又能怎样?反正我们就生活在空间之内,空间弯不弯曲能影响到我们的生活吗?其实对我们的影响太大了。因为引力,就跟空间的弯曲有关。 在牛顿时代,人们就已经知道了万有引力,牛顿发现苹果从树上掉下来就是因为地球的引力。但问题是,引力到底是怎么来的呢?在爱因斯坦之前,大家只能认为,引力是瞬间作用,各种物体之间都会相互吸引。但爱因斯坦在对时空形态进行研究之后提出,引力其实就是空间的弯曲所导致的:大质量的物体会导致空间弯曲,弯曲的空间又影响了物质的运动,这才是引力的真正本质。 用一个通俗点的模型来解释一下。你可以把空间想象成一张巨大的有弹性的蹦床表面,一般情况下这个表面是平坦的。如果你往上面放了一个物质,比如说一颗球,那这颗球就会让表面变形,也就相当于是导致空间发生弯曲。而这个表面一旦弯曲,就会让上面的其他东西的运动轨迹也发生变化。这就是引力的来源。所以,我们感受到的重力,不是因为地球在吸引我们,而是地球弯曲了我们周围的空间,而空间的弯曲又影响了我们的运动。所以说,弯曲的空间绝不是没有意义的,它会对我们产生切切实实的影响。如果空间扭曲成很特殊的形状,就有可能具有很特殊的性质,比如像黑洞。 再举个例子,如果你在纸上画上一副手套,无论你怎么旋转移动,左手套都变不成右手套。三维世界里的手套也一样,两只手套在所有尺寸上是相同的,但是二者之间有一个很大的差异,因为你不能把左手手套戴在右手上,或者把右手手套戴在左手上。你可以随意旋转和扭曲它们,但右手手套仍然是右手手套,左手手套仍然是左手手套。 另一方面,像帽子、网球拍以及其他许多事物没有表现出这种差异。这两种事物有什么区别呢?帽子或茶杯等事物拥有对称面,可以沿着对称面切成两个相同的部分。手套或鞋子不存在这种对称面。 如果我们让画手套的那张纸扭曲变形一下,情况就会不同了。把这张纸的一侧转一圈,再跟另一侧粘贴在一起,就能得到一个特殊的二维平面,叫“莫比乌斯环”,这个你可能听说过。如果我们让纸片上的左手套在莫比乌斯环上转一圈,那就会发现,左手套在回到原地的时候,就变成了一只右手套。同样的,三维空间也可能形成像莫比乌斯环这样奇妙的形状。如果你拿着左手套,在这种形状的空间里转一圈,那左手套就会变成右手套,你的心脏也会从身体左边转移到右边。从这个例子中你就能感受到,特殊形态的空间,可能会具有非常奇妙的性质。如果这种空间真的存在,手套和鞋子的制造商可能也会获得好处,他们可以简化生产,只制作一种鞋子和手套,将其中一半在空间中绕一圈,使其转变成世界上另一半手脚所需要的那种形式就可以了。 人类生活在三维世界中,很难直观地去想象扭曲的空间是什么样。但通过测量地球和恒星之间的光线夹角,科学家发现大质量的物体的确能让空间扭曲。而且,扭曲的空间会影响物质的运动,这就是引力的本质。除此之外,扭曲的空间还有很多奇妙的性质,比如可能会改变物体的属性等。
“科学大唠嗑”是悦读读书会新增添的一个栏目,每周更新一次,作者是书友们所熟悉的“牧羊人”张喆老师。他曾组织过我们读书会开展天文线下活动,也是《时间简史》、《上帝掷骰子吗?》的领读者。对于科普爱好者,此栏目是一个相当大的福利。期待张老师下一次更新!
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