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为什么空间如此广阔？
我们讲过了和物质有关的谜题，包括组成宇宙的最小单元，以及它们如何运作。可是，即便我们理解了身边这些有形的东西，依然有一个隐藏在背景中的谜团悬而未决，这个谜团的主角就是“背景”本身：空间。
那么，空间到底是什么呢？
如果你去问物理学家和哲学家空间的定义是什么，你恐怕会卷入一场冗长的讨论，然后被一堆听起来很高深但毫无意义的词搞得晕头转向。如果再给你一次机会，你大概不会一上来就找哲学家还有物理学家进行这种高深的讨论。
空间是给世间万物当背景的一片无尽的虚空吗？空间是用来填充物体与物体之间缝隙的虚空吗？或者，空间是某种和流动性有关的物质，就像加满水的浴缸？
这样看来，空间的本质反而成了宇宙中最大的谜团。做好准备，接下来的内容会越来越空的。
空间是个东西吗？
和很多艰深的问题一样，“什么是空间”听起来不是个很难回答的问题。可是，如果你尝试挑战自己的直觉，重新审视这个问题，你会发现自己很难找出一个清晰的答案。
大多数人把空间想象成一片空旷的场地，比如一个空荡荡的仓库，或者宇宙万事上演的舞台。
基于这个观点，空间从字面上理解就是一个静静地待在那里的空洞，等待着有什么东西填满。这类似于我们说的“我要留点地方（胃口）吃饭后甜点”或者“我找到一个停车的好地方”中的“地方”。
从这个概念出发，空间即使没有被填满，它本身也是一个独立的存在。这么说吧，如果宇宙中所有物质的总和是有限的，那么你总能走到一个足够远的地方，把宇宙中所有的东西都甩到身后。那时呈现在你面前的将是绝对虚空的无尽世界。也就是说，空间是可以无限延伸的虚空世界。
这种东西有可能存在吗？
这种对于空间的描述听起来合情合理，也符合我们的日常经验。然而我们要牢记之前的教训，每当我们想当然地觉得某个事情肯定没错（比如地球是平的，比如吃很多女童军饼干有益健康）的时候，我们都应该抱着怀疑的态度退后一步，再仔细检查一下。更重要的是，我们应该考虑那些能够解释同样的现象但机制完全不同的理论。也许我们漏掉了什么，或者有某些相关的理论，在它的框架下我们对宇宙的体验只是它的一个特例。鉴定前提假设有时候是很困难的，尤其是那种看起来很自然、很直截了当的前提假设。
既然要重新审视空间，那我们不妨看看这些似乎合理的空间的理论。我们是否可以假设空间必须和物质并存？如果空间本身只不过是物质之间的“关系”呢？如果真是这样的话，那就不可能存在纯粹的“空”间，因为不包含物质的空间从概念上是说不通的。打个比方：如果你要丈量两个粒子的间距，那么你要先有两个粒子才行。在没有任何物质粒子的尽头，空间的概念也就终止了。那没有物质的地方又是什么呢？反正不是空的空间。
关于空间，这个思考的角度很奇怪，它违反了我们的直觉，特别是在我们对“非空间”毫无概念的情况下。但是一个理论很怪异并不代表它没有物理学意义，就让我们保持一种开放的心态来看待吧。
我们要找的是哪种空间？
到底哪一种对于空间的解释是正确的呢？空间是一个等待被填满的无穷大的空洞，还是必须与物质共存的东西？
事实上，我们可以确定两者都不是。空间绝不是什么巨大的空洞，也不仅仅作为物质之间的关联而存在。之所以这样说，是因为我们观测到了不支持任何一种理论的现象。我们发现空间会扭曲、荡漾和膨胀。现在你一定在想：“什，什么？”如果没有走神的话，你一定会惊讶于空间会弯曲和膨胀。这是什么意思？这怎么可能？如果空间本身只是一个概念，那么它不可能产生弯曲或者膨胀这样的形变，就像它不可能被切成丁和香菜一起炒。50如果空间是用来给物体定位的标尺，那我们该如何测量空间本身的弯曲和膨胀呢？问得好！对大多数人来说，空间弯曲这个概念之所以令人费解，是因为一直以来我们都把空间脑补成一块看不见的幕布。就像我们之前提到的，你可能会把空间想象成一个剧院的舞台，它的地板和墙壁都是硬木板做成的。你可能会觉得这世上没有什么力量可以掰弯这样的舞台，因为这是一个抽象的框架，它本身并不是宇宙的一部分，它所包含的部分才是宇宙。
很可惜，事情并不像你想的那样。为了能用广义相对论那样前卫的思想来理解空间，你必须把空间当作一个具有物理属性的东西，而不是把它看作一个抽象的剧院舞台。你必须努力想象空间具有的属性和行为，宇宙中的物质对空间会产生影响。你可以掐住空间，挤压它，甚至用香菜填满它。
听到这些，你可能很想吐槽：“我去#
#￥？！？！”你一定觉得这些简直是胡言乱语，你甚至会一脸嘲讽地把这本书扔到墙上。这些都是完全可以理解的行为。我猜之后你还是会把书捡起来，耐着性子继续听我们掰扯，因为我们还没讲到真正“丧心病狂”的部分呢。等我们全都掰扯完，你大概已经无力吐槽了，但我们还是要认真仔细地把这些概念掰开了揉碎了说个清楚，只有这样才能让大家很好地理解关于空间的各种理论，欣赏它背后那些奇特的、尚未揭开的谜团。黏黏空间，任你畅游
空间是一个具有物理属性的实体，可以荡漾和弯曲—这该如何理解呢？
这意味着，空间不是一个（超级大的）空房间，而更像一大团黏糊糊的物体。一般情况下，物体可以在这团黏性物质里顺畅移动，就像我们可以在充满空气的房间里走来走去，而不会注意到周围的空气分子。但在某些特殊情况下，这团黏性物质会扭曲，这时穿过它的物体的运动轨迹也会随之发生改变。除了扭曲，它还可以收缩和荡漾，其中的物体也会随之发生形变。
用黏性物（以下统称为“空间黏性物”）比喻空间并不十分恰当，但这有助于我们理解概念。我们要明白，我们此时此刻所处的空间不见得是某个固定的、抽象的东西。相反，它是一个实实在在的东西，可以在你察觉不到的情况下伸展、摇摆、扭曲。
或许一个空间的涟漪刚刚穿过你，也可能我们正沿着某个奇怪的方向被拉长，但我们对此一无所知。实际上，直到最近我们才发现这团黏性物一直在动来动去，而不是安静地待在那里，但它不粘在任何地方，这导致我们之前误以为它是某种虚空。
这个空间黏性物都能干些什么？它能干的怪事可多了。
首先，它可以膨胀。让我们认真思考一下这意味着什么。这意味着空间中的物体，即使它们并没有移动，也会距离彼此越来越远。还是用我们之前的比喻，你可以想象自己坐在一大团黏性物里，这团包裹着你的黏性物忽然开始膨胀。这时你对面还坐着一个人，即使你们俩相对这团黏性物都没有移动，你对面的这个人也会离你越来越远。
我们怎么知道空间在膨胀呢？难道我们用来测量距离的尺子不会随着空间一起膨胀吗？的确，组成尺子的原子之间的空间也会膨胀，这些原子也会彼此远离。假设我们的尺子是用很软的太妃糖做的，那么它会膨胀。但如果我们有一把很坚硬的尺子，它内部的原子之间有很强的结合力（电磁力），那么这把尺子可以维持原有的长度，利用这种尺子我们可以观察空间是否膨胀了。
之所以说空间可以膨胀，是因为我们已经看到了这种现象—暗能量就是这样被发现的。我们知道宇宙在早期曾以十分惊人的速度膨胀和扩张，如今相似的事情仍在持续发生。有关于大爆炸（宇宙早期膨胀的机制）的讨论，有关于暗能量（一种正在推动宇宙膨胀的物质）的讨论。
其次，空间还可以扭曲。黏黏空间就像太妃糖一样可以被挤压变形。在爱因斯坦的广义相对论里，空间的这种特性正是引力的本质—空间弯曲产生了引力。如果物体具有质量，那么它周围的空间就会扭曲形变。
一旦空间发生形变，其中的物体就不再沿着设想中的轨迹运动了。在一块被弯折的黏性物里运动的棒球不再沿直线运动，它的运动方向会朝着黏性物弯曲的方向发生偏转。如果空间被一个质量很大的物体（比如保龄球）严重扭曲，那么这个棒球的轨道甚至会变成一个环状，就好像月球围绕地球运动的轨道，或者地球围绕太阳运动的轨道。
这种情况我们用肉眼就可以观察到！比如，光线在经过太阳或者暗物质团这类大质量天体时会发生偏转。如果引力是具有质量的物体之间的相互作用力—而不是空间弯曲的表现—那它对光子应该没有影响，因为光子是没有质量的。因此，只有用空间弯曲理论才能解释为何光子的轨迹会发生偏转。
最后，空间可以荡漾。如果空间可以伸展和弯曲，那么它有这种特性也不算离谱。有意思的地方在于，拉伸和弯曲是可以在空间这个黏性物里进行传播的，这就是引力波。如果空间瞬间被扭曲，这种形变会像声波或者液体中的波纹一样向外传递。这只有在空间具有某种物理属性时才会发生，如果空间只是一个抽象的理念或者某种虚空，那就不会产生这种现象了。
我们之所以知道空间的这种波动性是真的，是因为：（1）广义相对论预言了它的存在；（2）我们已经探测到了它的存在。在宇宙的某个地方，两个无法摆脱彼此的大质量黑洞以疯狂的速度互相绕转，同时它们对周围空间造成的巨大形变如同水中涟漪一般扩散至宇宙深处。借助高灵敏度的仪器设备，位于地球上的我们探测到了这些空间的涟漪。
你可以把这种涟漪想象成空间反复伸展和收缩所产生的波。实际上，当这一涟漪经过某处时，本地的空间会沿着某一个方向收缩，同时沿着另一个方向膨胀。
这听起来太荒唐了，如何确定这是真的？
空间是一个实实在在的东西，而不仅仅是纯粹的虚空，这个听起来很疯狂的想法来自我们的实际经验。观测结果明确指出，空间中物体的间距并不是在某种隐形的抽象背景下测出来的值，而是取决于这个空间黏性物的属性，这就是我们过日子、吃饼干、切香菜时所在的空间。
如果把空间想象成某种具有物理属性和行为的生动物体，或许我们的确可以解释它的扭曲和拉伸，但这又会带来更多的问题。
比如，你可能会觉得我们以前称为空间的东西应该叫作物理学黏性物（“物胶”），可是这个黏性物必然被另一种物体包含，那么装它的这个容器就又变成空间了，不是吗？这个想法很机智，不过根据我们已有的了解（尽管极为有限），这个容器并不是必需的。当我们谈论弯曲时，这种弯曲并不是该黏性物相对于它所在的某个背景所发生的形变，这是一种从本质上改变了空间中不同区域的相关性的形变。
不过，空间不需要容器不一定意味着这个容器不存在。说不定在我们讨论的空间之外真的有更大的“超级空间”，而那才是一片无穷无尽的虚空。是否存在这样的情况，我们无从知晓。
宇宙中是否存在没有空间的区域呢？既然空间就像一团黏黏球，那么会不会有些地方的空间不黏？会不会有些区域什么都没有？这些我们目前也说不清楚。所有的物理定律都是假定空间存在的，当空间不存在时这些物理定律又会变成什么样子？对此，我们一无所知。
事实上，对于空间的这些新认识是人们近期才有的，我们对空间的认知还处于初期阶段。在很多方面，我们依然受困于自己的直觉。在原始人忙着狩猎觅食和采摘史前香菜的时期，这些直觉还是挺有用的，但是空间的本质和我们想象中的样子差别太大了，在理解它的过程中我们必须摆脱直觉的束缚。
空间如何弯曲？
如果这些关于空间弯曲的黏糊糊的概念还不足以让你脑仁儿疼的话，那么请继续思考关于空间的奥秘吧—空间是平的还是弯的？如果是弯的，空间朝哪个方向弯？
一旦你接受了空间可塑的设定，一些古怪的问题也就不难回答了。如果有质量的物体会扭曲它周围的空间，那空间会不会在整体上有一个曲率呢？换句话说，空间这块黏性物不是平直的，你知道戳它一下空间就会抖动和形变，但那会是什么样的形变呢？它会整体下沉吗？它会笔直地挺立吗？对于空间，这些都是可以探讨的问题。
这些问题的答案可能会极大地影响我们对宇宙的看法。举个例子，在一个平坦空间里，如果你沿着某个方向一直走下去，那你可以无限地走下去。但是在一个曲率空间里，事情就变得有意思了。假如空间整体曲率为正，那么你沿着某个方向一直走下去的结果是从相反的方向回到起点！如果不喜欢被别人从背后偷袭，那你可要注意了。
曲率空间的概念不太好理解，因为我们的大脑不擅长去想象这类东西。为什么空间会有曲率呢？我们在日常生活中（躲避捕食者或者找钥匙的时候）接触的三维空间看起来挺稳定的呀（即使被能操控空间曲率的外星人袭击了，我们也相信空间可以迅速恢复原状）。
空间有曲率到底意味着什么？让我们花一秒钟时间假装自己是生活在二维空间里的生物。我们所在的世界就像一张薄薄的纸片，换句话说，我们只能朝两个维度的方向移动。假如我们生活的这张纸片是严格意义上的平面，它就被称为平坦空间。
如果这张纸片由于某种原因弯折了，那这个空间就是弯曲的。
折弯这张纸的方法有两种，一种是让纸上的所有曲线都朝着同一个方向弯曲（曲率为正），另一种是让纸上所有曲线朝着不同的方向弯曲（曲率为负），得到的形状很像马鞍或者薯片（健康指数为负）。
现在最酷的部分来了：如果空间各处都是平坦的，那代表空间的这张纸片就可以向四周无限伸展。但如果空间各处都具有正曲率，那它最终只有一种形状，那就是球形，更严谨的说法是球状体。这样一来，我们生活的空间就变成了一个封闭体。它就好像一个土豆的二维表面在三维空间里的等价物，无论你沿着哪个方向一直走下去，最终都会回到起点。
我们生活的空间到底是什么样的呢？它是平坦的还是有曲率的？我们到底可不可以说平房是平的？
在这种情况下，我们的确知道答案，空间看上去确实是平坦的，误差在0.4%以内。科学家们通过两种不同的计算方法得出的结果是：空间（至少我们能观测到的空间）的曲率很接近零。
他们用的是哪两种方法呢？一种是通过测量三角形的内角之和计算空间曲率。在平坦空间里，三角形的内角之和是遵循一定规律的，但在曲率空间里情况就不同了。我们把空间比作一张纸，在摊平的纸上画的三角形和在弯曲的纸面上画的三角形并不一样。
科学家已经测出了宇宙空间中的三角形的内角和，他们采用的方法是观测早期宇宙，研究不同地点之间的空间关系。测量结果显示空间是平坦的。
另一种方法基于空间弯曲的根源：宇宙的能量。广义相对论指出，宇宙中一部分特定的能量（严格地说是能量密度）会决定空间弯曲的朝向。事实证明，我们测量到的能量密度恰好使得我们观测范围内的空间不会被弯曲（在0.4%的误差范围内）。
这也许会让你失望，原来我们并没有生活在一个很酷的三维封闭式土豆里。是啊，谁不希望坐着火箭摩托车像世界飞人埃维尔·克尼维尔（EvelKnievel）那样高速环游宇宙呢？我们生活的宇宙是个无聊的平坦空间，这是挺让人扫兴的，但你不好奇它为什么是这个样子吗？据我们所知，“宇宙是平坦的”这件事可是个宇宙级别的巨大巧合。
你想想看，既然曲率是由宇宙中物质和能量的多少决定的，那只要物质和能量比现在多一点点，空间就会朝着某个方向弯曲，如果物质和能量比现在少一点点，空间又会朝着另一个方向弯曲。目前宇宙拥有的物质和能量似乎刚好可以在我们所能观测的范围内让空间保持平坦。具体地说，这个能量密度是每立方米五个氢原子这么密。如果是每立方米六个氢原子，或者每立方米四个氢原子，那宇宙就是另一种样子了。它会更加凹凸有致，反正不是现在这样。
还有更奇怪的呢。空间的曲率也会反过来影响物质的运动，而物质的多少又会影响空间曲率的大小，这就是反馈效应。也就是说，如果宇宙在早期拥有的物质稍微多一点或少一点，那今天的宇宙所拥有的能量密度就不会刚好维持一个平坦的空间，而会使空间越来越不平坦。我们现在看到的是平坦的空间，这意味着宇宙在早期就极其平坦，或者存在其他的机制维持空间的平坦。
这是空间最神秘的属性。我们不清楚空间是什么，也不清楚它为什么恰好是现在这种平坦的样子。我们对空间真是一无所知。
空间的形状
谈到空间的本质，空间曲率并不是唯一困扰我们的难题。一旦接受了“空间不一定是无穷大的空洞，它更可能是无穷大且具有物理属性的东西”这样的设定，那么你就可以提出与之相关的各种奇怪问题。比如：空间到底有多大？它拥有怎样的形状？
大小和形状的背后是空间的数量和分布。你可能觉得这没什么意思。我们知道空间是平坦的，空间不像马鞍或者土豆（或者骑在马鞍上的土豆）。既然空间是平坦的，那就意味着它可以无限延伸，对吗？那可不一定！
空间可能是平坦且无边界的，也可能是平坦且有边界的，空间甚至可以更奇葩，它可以是平坦且自循环的。
空间怎么会有边界呢？其实，平坦的空间也没道理非得是无边无际的。举个例子：你可以把一个盘子看作是具有平滑连续边界的二维平面。根据边界处某些奇异的几何属性，三维空间也可能有边界。
更让人好奇的是，平坦空间也可以循环。这像我们玩电子游戏（比如《爆破彗星》《吃豆人》）的时候，移出画面边界的主角自动跳入对侧的边界。空间也可能具有类似的属性，也许它可以通过某种我们尚未知晓的方式自我连接。比如，广义相对论就曾预言虫洞的存在。空间上相距很远的两个地方可以通过虫洞相连。是否存在某种简单的途径可以让空间的边界全都连接在一起呢？这我们就不清楚了。
量子空间
就像像素构成了电视机屏幕，空间是否可能由离散的空间小单元组成？或者，空间无限平滑，在任意两点间都存在无数个点？
古代科学家可能没想过空气是由细小离散的分子组成的。毕竟，空气连绵不断，可以充满任意体积的区域，还自带有趣的动力学特性，可以形成风和气候。而我们知道，关于空气我们喜欢的一切（夏日微微拂面的凉风，还有呼吸顺畅的感觉）实际上是数十亿空气分子综合运动的结果，那不是单个分子本身的属性。
平滑空间的理论听起来更靠谱。这是因为我们曾尝试在空间中滑行，这个过程既轻松又连贯。没有人会像电子游戏里的角色那样，抽筋似的从一个像素点蹦到另一个像素点，对不对？
不过，我们真的能肯定吗？
然而，基于我们目前对宇宙的了解，无限平滑的宇宙反倒更令人惊讶。这是因为我们知道，除此以外的所有东西都像女童子军饼干一样可以量化。而且，量子物理认为存在一个量化的最小尺度，大约是10?35米。从量子力学的角度来看，空间也应该是可以量化的。不过，还是那句话，我们不清楚是不是这样。
无论如何，你不能阻止物理学家大开脑洞！如果空间是可以量化的，那么当我们在空间里移动时，我们实际上是从一堆微小单元组成的区域蹦到了另一堆微小单元组成的区域。也就是说，空间可以看作是一个由节点连接成的网络，这就好比一个由地铁站点组成的线路系统，每个节点代表一个地点，而节点之间的连接代表了这些地点的相互关系（换句话说，就是哪个地点挨着哪个地点）。这个观点不同于把空间仅看作物质之间关系的代表，因为即使没有物质，空间的这些节点也可以存在。
这很有趣，因为即使没有物质，空间的这些节点也可以存在。它们就是那样独立存在着。在这种情况下，我们所说的空间其实是这些节点的关系，而宇宙中的所有粒子本质上只是空间的属性而不是组成空间的元素。比如，它们可能是空间节点的某种振动模式。
这听上去可能有点牵强，其实不然。目前的粒子理论也基于空间中无处不在的量子场。什么是场呢？就是空间各处都有一个相关的数，或者一个相关的值。在粒子理论中，粒子就是场的激发态。我们所说的空间可以量化的理论和这种观点差不多。
顺便告诉你，物理学家其实很喜欢这种脑洞—看起来很基础的东西（比如空间），其原理竟然比人们想的更深奥。这让他们觉得自己已然窥探到了隐藏在幕后的真相。甚至有些人猜测节点之间的关系源于粒子间的量子纠缠。不过，这只是激动的理论学家的数学猜想。
空间的未解之谜
总结一下，迄今为止关于空间的未解之谜包括以下几个。
1.空间是个实实在在的东西，可它究竟是什么？
2.我们已知的空间就是全部了吗？在它之外是否存在某种更大的元空间？
3.宇宙中是否存在无空间的区域？
4.空间为什么是平坦的？
5.空间是可量化的吗？
6.为什么有人就不尊重其他人的私人空间？
读到这里，无论你是看懂了还是麻木了，我们都要带你了解关于空间最最疯狂的学说（没错，后面还有更疯狂的）。如果空间是个实体—不是背景，也不是画框—具有诸如扭曲和产生涟漪这样的动力学属性，甚至可以被量化，那么我们就要问了：空间还能做什么？
也许空间就和空气一样，可以拥有不同的物态。在极端条件下，它可能会变成让人意想不到的模样，就像空气有液态、气态、固态这些不同的形式。我们熟悉的、喜爱的、占用（其实用不完）的空间所呈现的样子也许只是众多形态中罕见的一种，而在宇宙的其他地方还存在着其他形态的空间，等着我们去研究和掌控。
想要回答这个问题，我们可以利用的最奇妙的工具就是质量和能量扭曲空间的特性。想了解空间是什么以及它能变成什么样子，最好的方法就是在极端条件下观察它，比如观察空间如何被黑洞这个宇宙级别的大质量天体挤压和拉扯。如果可以近距离观察黑洞，我们就可以看到空间是如何被撕碎的，这就像观察你如何被一堆废话搞得脑袋炸裂。
令人振奋的是，我们比以往任何时候都更有能力观测空间的这种异常形变。之前，我们还无法探测到宇宙中穿行的引力波，而现在我们已经可以探测到摇晃和扰动空间这块黏性物的宇宙事件了。或许在不久的将来，我们会更加接近空间的本质，从而解答环绕在我们周围的有关空间的深奥问题。
所以，节省点脑容量，思考这些问题吧，可别把存储空间都用完了。
