古人呵壁问天,将无尽的疑问镶嵌于壮丽的诗篇;今人仰望星空,将探索的瑕思翱翔于广袤的时空。天有多高?天有多大?天会不会塌下来?这些关于空间的等等问题,几乎会萦绕于每一个儿时的脑海。虽然书本上已经给出答案,但仍有一些令人费解的地方。审视和理清这纷繁复杂的自然密码,便成了不安的灵*持续躁动的动力。
1.经典空间概念引出的问题
百度百科对空间的解释主要有以下几个观点:
⑴空间是与时间相对的一种物质客观存在形式。
⑵物与物的位置差异度量称之为“空间”,由长度、宽度、高度、大小表现出来。
⑶物体存在、运动的场所称为空间。或者说宇宙中物质实体之外的部分称为空间。
⑷空间特点:无界永存。点点连续、处处平权。
对此产生的疑问是:
⑴空间是物质吗?
⑵离开物质的距离和空间还有意义吗?
⑶空间是物质的舞台,那么物质内部有没有空间呢?
⑷空间与宇宙是什么关系?
2.空间不是物质
空间没有大小,没有体积,没有质量,也没有中心,更没有位置,不可触摸,也不可见,所以空间不是物质。但它不是空集,也不是虚无。
空间决不是一种什么东西,但是一种客观存在,而且独立于时间。无论古今,也无论宏观还是微观,局部区域可以被物质独占,物质可以扩散到更大的区域,完全不受人的意志所左右。
空间非物,是完全的真空,但却可以感知。星际之间的距离,你我之间的聚散,分子之间的空隙,都是空间存在的佐证。
空间即便被物体分隔,也不可能随物体一起运动,当然它自身也不存在任何运动,因为运动必须是物质的运动,或者是能量的波动。
3.空间是开放的容器
空间不依赖于物质而独存,物质却需要空间作为舞台。空间可以用坐标来标度,但坐标系的原点如果没有物质作支撑,建立在这种坐标中的参考系也是空中楼阁。
显然,空间是存放物质的容器。这个容器没有边界,而且无限,它是完全开放的。物质不会只在空间某一处堆积,而在另一些地方空空荡荡。因为运动,所以如此。
家中若没有家具类容器,物品仍然可以存放。其实是存放在开放的容器中,它可以是家里的地面,家外的场地,甚至更宽广的地球表面,实际上就是空间。
物质只有无限收缩到体积为零的奇点,才不独占空间。但这时它已全部转化为能量,自然就不在意空间的大小了。
4.不存在完全真空的空间
空间本应是一无所有的真空,虽然它会充斥着形形色色的物质,但物质不是连续的。即使在小尺度范围内看起来连续,但在更小的尺度范围内,仍是间断的。这间断处,仍是填充的空间。
由于物质会伴生引力场和电磁场,而且还会延伸到无穷远处,虽然强度会随距离的增加而急剧衰减,但场不会独占空间,而且还会叠加。因此任何空间中,即使不存在实物,也必存在场。所以空间非空。
场是物的附庸,如电磁场的光子,它甚至具有粒子性,因此场并不等效于空间。场可以是时变的,而空间永恒和静止。物质可以消亡转化,空间仍然故我。宇宙和空间是密不可分的整体。
5.空间的大小和来源
空间虽然可以度量,但必须有物质作为标识。空间是无所谓大小的,因为它是无限的。大的方面无限延伸,才会有“海纳百川,有容乃大”。小的方面无限内缩,有多大或小的物质,就有多大或多小的空间将其包容。
在普朗克尺寸⑥以内的微缩空间里,物质已经小到极限,但空间没有分解的止境。
空间既然是非物质的,那它就是天然的,没有起源,没有发展,也没有寿命。物质的生老病死,空间总是静观其变。
这空间好像具有上帝的特征,不对,是有人把上帝赋予了一些空间的属性。对于空间这种永恒的存在,人们除了敬畏,就不必总想着把它拿捏把玩。
牛顿在其《自然哲学的数学原理》中给空间下了这样的定义:绝对的空间,其自身特性与一切外在事物无关,处处均匀,永不移动。为了验证,牛顿做了著名的水桶实验进行说明。这个实验虽然被马赫等人所垢病,但对它的争论一直没有停息过,我们在后面还会进一步对其进行讨论。
显然,牛顿的绝对空间跟我们所说的空间虽然极其相似,并不完全等效。它是动者恒动,静者恒静,跟物质紧密联系在一起,并试图找到构成绝对空间的物质——以大。而我们这里的空间是永恒不变的虚空,不存在构成单元,完全独立于外部世界。
空间作为一个无限的容器,有长度和时间两类维度,使得它既可以容纳任何尺寸的物体,也可以运行任何久远的历程。即使它心中空无一物,也会坐等花开。