時(shí)空的形狀

戰(zhàn)國(guó)末期尸佼曾經(jīng)說(shuō)過(guò)：“四方上下曰宇，往古來(lái)今曰宙。”“宇”指空間，“宙”指時(shí)間，“宇宙”就是時(shí)間和空間的統(tǒng)一。這說(shuō)明在2000多年前，古人就已經(jīng)意識(shí)到了宇宙的存在。如今在物理學(xué)、天文學(xué)、哲學(xué)等范疇中，我們常常聽(tīng)到的“時(shí)空”這個(gè)詞，就同宇宙的概念一樣。時(shí)空結(jié)構(gòu)是三維空間與四維時(shí)間相結(jié)合的概念模型，這個(gè)概念非常抽象。那時(shí)空究竟有著什么樣的形狀呢？

古時(shí)候人們認(rèn)為天是圓的，地是方的，日月星辰則像爬蟲(chóng)一樣高過(guò)天空，這一學(xué)說(shuō)被稱(chēng)為“天圓地說(shuō)方”。天圓地方一說(shuō)，有嚴(yán)重的邏輯缺陷。孔子的弟子曾子早就懷疑過(guò)：“天圓地方，則四角不掩也。”一個(gè)圓形的，一個(gè)方形的，二者如何銜接？可是，中國(guó)人不管那一套。到北京看看天壇和地壇，一個(gè)完全是圓形的，一個(gè)完全是方形的。

隨著科技的發(fā)展，人們對(duì)時(shí)空的認(rèn)識(shí)也在不斷加深，借助探測(cè)儀器，科學(xué)家們繼續(xù)探索時(shí)空的形狀。時(shí)空究竟是什么形狀？是否有邊界呢？

于是，奧伯斯提出了著名的“奧伯斯佯謬”：如果宇宙是無(wú)限的，并且恒星的數(shù)量也是無(wú)限的，而且是均勻分布的，那么黑夜則不復(fù)存在，因?yàn)槟阆蛉魏我粋€(gè)方向望去，總能看到一顆恒星。

這個(gè)問(wèn)題也引來(lái)愛(ài)因斯坦的疑惑：宇宙究竟是無(wú)限伸展的，還是有限封閉的？

1917年，愛(ài)因斯坦向普魯士科學(xué)院提交了一篇題為《廣義相對(duì)論下的宇宙學(xué)思考》的論文。我們常常把空間想象成事情發(fā)生的空曠位置，例如預(yù)備放東西的空倉(cāng)庫(kù)，或者讓宇宙中的事件表演的舞臺(tái)，但廣義相對(duì)論則認(rèn)為，空間并不是一片虛空，而是一個(gè)實(shí)際的、動(dòng)態(tài)的東西。現(xiàn)在很多發(fā)現(xiàn)也驗(yàn)證了這一觀點(diǎn)。空間會(huì)因?yàn)槲镔|(zhì)和能量而扭曲，還會(huì)影響在其中移動(dòng)的物體的運(yùn)動(dòng)軌跡。空間可以被引力波影響而振動(dòng)，也可以擴(kuò)張，在空間中產(chǎn)生越來(lái)越多的空間。這就引出了“空間曲率”或者說(shuō)“時(shí)空曲率”。

如果在行星或者黑洞這些正曲率空間中，它是一個(gè)封閉的三維球面，也就是有邊界，它像一個(gè)巨大的土豆，如果你向同一方向一直走，最終一定會(huì)回到起點(diǎn)；如果在沒(méi)有能量和物質(zhì)的空間曲率為零的時(shí)空里，它則是一個(gè)無(wú)邊無(wú)際的平坦三維空間；如果時(shí)空空間具有負(fù)曲率，那么它同樣也沒(méi)有邊際，是一個(gè)彎曲的三維雙曲面，像馬鞍一樣。

而如何測(cè)量時(shí)空的形狀，一共有兩種方法：一是用幾何的方法測(cè)量——測(cè)量三角形的內(nèi)角和，若時(shí)空為平，那么三角形的內(nèi)角和為180°，若時(shí)空為曲，則內(nèi)角和會(huì)視曲度而大于或小于180°；其二是測(cè)量會(huì)造成空間扭曲的原因——時(shí)空中物質(zhì)和能量的密度。

用這兩種方法測(cè)量我們的宇宙，得出的結(jié)果都表明，時(shí)空大致是平的，只有0.4%的誤差。這也就意味著我們的宇宙并不是一個(gè)巨大的球形，而生活在一個(gè)平坦的時(shí)空中或許是宇宙級(jí)別的巨大巧合。

直到現(xiàn)在，科學(xué)家仍然不知道宇宙的質(zhì)量能量密度為何這么完美，畢竟說(shuō)到宇宙曲率，我們只能感慨人類(lèi)的知識(shí)還是太少了。時(shí)空對(duì)于人類(lèi)來(lái)說(shuō)仍然是現(xiàn)在及未來(lái)的一個(gè)研究課題，我們不知道的還有很多很多……