空间是什么？（1）

现代科学有一种很容易让人产生错觉的地方：我们似乎已经离“知根知底”不远了。我们知道普通物质由原子构成，原子内部有电子和原子核，原子核中有质子和中子，而质子与中子还可以继续追溯到夸克与胶子。我们知道 DNA 的结构，也越来越清楚遗传信息如何被复制、表达、修复和传递。我们可以探测数十亿光年外黑洞并合产生的引力波，可以操纵单个原子，可以制造精度惊人的原子钟，也能用数学理论把某些实验结果预测到令人难以置信的精确程度。

可是，如果突然问一个看起来几乎像儿童才会问的问题——空间是什么？——我们的答案反而会迅速变得含糊。

这很奇怪，因为空间并不是什么藏在宇宙边缘的神秘对象。我们知道的一切似乎都存在于某个地方。眼前的一本书与我们的眼睛之间有距离，身体占据空间，地球运行在太阳系中，太阳系又处在银河系里。即使物理学谈论的是电子、电磁场或者量子态，空间关系仍然几乎无处不在。我们极其擅长测量空间，能够给位置赋予坐标，计算距离、角度和曲率，也能准确预测物体如何运动，但能够精确地测量一个东西，并不等于知道它究竟属于哪一种存在。

这种区别很容易被忽略。比如问“水是什么”，我们可以从不同层次回答。水是河流和海洋里的液体；从化学上说，它主要由 H₂O 分子组成；再往下，分子由氢原子和氧原子组成，原子还可以继续分析到电子、原子核乃至更基本的粒子。于是我们很自然地把这种追问方式继续用于空间：空间由什么组成？可问题到这里突然变得别扭。也许空间根本不是由什么“东西”构成的，也许它只是“东西所在的地方”。但如果我们说空间就是“事物存在的地方”，其实并没有真正解释什么，因为“地方”这个概念已经预设了空间。它就像说“时间就是事情发生的时候”一样，描述了作用，却没有说明本体。

在相当长的物理学历史中，这个问题并不显得特别紧迫，因为空间被当成了物理事件发生的背景。牛顿力学把这种看法发展到了极其成功的程度。物质占据位置，物体发生运动，力改变运动，而所有这些都发生在一个绝对空间和绝对时间之中。空间本身不需要参与任何事件，它只是舞台。这个图景如此自然，以至于直到今天，它仍然深深藏在我们的直觉里。

我们可以做一个思想实验。把一个房间里的家具、人物和空气全部移走，再把每一个分子、每一个光子都去掉，我们仍然会觉得“房间”还在那里，只不过变成了空房间。接着再去掉墙壁，去掉地球，去掉恒星和星系，最后去掉所有粒子、所有物质，甚至试图去掉所有场。大多数人脑中仍然会剩下一片巨大的黑暗空旷，而这片“什么都没有的地方”就是我们直觉中的空间。可是仔细想一想，我们其实已经做了一件很有意思的事：我们把一切都移除了，却悄悄允许一个东西留下——容器本身。问题是，为什么它一定应该留下？

这个问题远比现代物理古老。牛顿倾向于认为，空间具有独立于其中物体的存在；莱布尼茨则不同意，他更强调空间是一种关系。说两个物体处于不同位置，意味着它们之间具有某种位置关系，并不一定意味着背后还存在一种看不见的“空间实体”。这个争论表面上像哲学，但它提出的问题始终没有完全从物理学中消失：空间究竟是一种独立存在，还是我们描述事物之间关系的一种方式？

爱因斯坦把这个问题彻底改变了。

狭义相对论首先表明，空间和时间不能像牛顿时代那样被完全分开。不同运动状态的观察者，对距离和时间间隔的测量可以不同，但这些量又能被统一到一个更基本的时空结构中。闵可夫斯基很快意识到其中的几何意义：空间和时间分别不再具有原先那种绝对地位，更自然的描述对象变成了统一的“时空”。这已经不是简单地修正几个公式，而是在改变我们对世界舞台本身的理解。

广义相对论走得更远。空间——更准确地说，时空——不再只是被动背景。物质和能量会改变时空的几何结构，而时空的几何又决定物质和光如何运动。牛顿理论中所谓的引力，在更深一层可以理解为物体沿着弯曲时空中的自然路径运动。于是，物理学史上出现了一个极具意味的变化：舞台开始进入剧情本身。

这是一次非常深刻的概念翻转。过去我们研究物体在空间里做什么，爱因斯坦以后，我们还必须研究空间本身在做什么。时空可以弯曲，宇宙可以膨胀，黑洞可以形成，几何扰动可以以引力波的形式向外传播。2015 年人类首次直接探测到引力波，本质上测量的是极其微小的空间关系变化，而这些变化来自遥远宇宙中的剧烈天体事件。

可是，这种惊人的成功并没有让“空间是什么”这个问题消失，反而使它更加尖锐。当我们说“时空发生弯曲”时，究竟是什么在弯曲？金属片弯曲，是因为有金属；水面形成波浪，是因为有水；绳子振动，是因为有绳子。广义相对论当然能够用极其严格的数学语言描述时空几何如何变化，我们不应该因为它缺少日常物质类比就认为理论有缺陷。但在本体论意义上，问题仍然成立：时空几何究竟代表一种什么样的物理存在？

这里有一个非常重要的区别：物理学可以极其成功地描述某种结构的行为，却未必已经告诉我们它是不是自然界最深层的存在。这个区别在科学史上并不罕见。

温度就是一个很好的例子。温度当然是真实的。我们可以测量它，也可以建立精确的热力学理论，但温度并不是像电子那样的基本对象。一个气体系统之所以有温度，是因为大量微观自由度共同形成了统计性质；一个单独的分子并没有“一杯水的温度”。压力也是如此，海浪也是如此。海浪可以推翻船只，当然是真实的，但它并不是在水之外又增加了一种独立物质，它是水整体运动形成的一种结构和模式。

生命提供了更有启发性的例子。生命无疑真实存在，但现代生物学最终没有发现一种特殊的“生命粒子”。相反，我们发现的是代谢、复制、膜结构、遗传信息、调控网络、反馈机制、进化和自我维持等越来越复杂的组织层次。生命并不是因为在普通物质中额外加入了一种神秘元素才出现，它在很大程度上取决于物质如何被组织、如何交换信息、如何维持动态过程。

这提示我们一个非常重要的可能性：一个东西可以完全真实，却并不一定是最基本的。

空间也许属于这一类。

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