宇宙时空真的是一种构造吗?

引力可能是人类史上发现的第一个基本力,但在很多方面,它仍然是人们所最不充分理解的四大基本力之一。从牛顿提出万有引力定律后,人们知道,宇宙中的任何两个质量无论距离有多远都存在引力作用。

当爱因斯坦提出广义相对论时,一个伟大的进步是认识到时间和空间被合并成一个单一的实体:时空。在爱因斯坦看来,物质和能量的存在扭曲了时空构造,而弯曲的时空反过来又决定了物质是如何移动的,这就是引力产生的原因。

在很多时候,我们会看到如下的时空结构示意图:

我们生活在三维空间中,但我们所看到的示意图往往是二维结构。那么,在现实中,时空真的是一种构造吗?如果有,真正的时空构造又是怎样的呢?

确实,弯曲的平面并不能反映我们所居住的现实世界。在很多示意图中,我们经常会看到弯曲的二维网格图片,它代表弯曲空间。它似乎描绘了空间的结构是由质量的存在而弯曲的,因此,任何沿着这个结构运动的物体都有加速靠近引力源的趋势。质量越大,越靠近它,曲率越大,弯曲程度越大。

至少从直觉上看,这似乎是在过去近100年里,通过实验和观察来验证广义相对论的结果。从当年日全食时的背景星光弯曲到今天的引力透镜效应,至少从定性上看,这样的空间描绘似乎与实际情况是一致的。

但这样的描绘究竟暗示了什么呢?如果空间像一种构造,那么,质量是如何弯曲空间的呢?

从二维图片来看,这就像一个物体在某种程度上把空间构造往“下”拉,然后其他的物体穿过这个空间就会被一些看不见的力向“下”拉。很明显,这是不对的,因为根本就没有外部引力在起作用。此外,网格线远离而不是朝向质量,这也不可能是正确的,特别是如果引力具有吸引性。

根据广义相对论的引力场方程,引力其实是一种几何效应。虽然这种相当然的可视化肯定是错误的,但这种观点认为,质量-能量会弯曲空间是正确的。

我们可以通过正确的空间维度(三维)来做出更好的空间弯曲可视化。想象一下,有一个完全空无的空间。附近没有质量、辐射、暗物质、暗能量、中微子,或者其他任何可能导致这个空间弯曲的东西,所以这个完全空无的空间没有固有曲率。

或者也可以这么来想象一下,空间是平的、静态的和空的。如果我们坚持要绘制一个网格,三维空间构造看起来应该是下图这样子:

现在,让我们在这个时空里放一个质量。该质量会使时空弯曲,但它实际上并不是一种构造:它只是构成空宇宙本身的虚无。广义相对论的方程告诉我们这个曲率是如何产生效应的,但是它们并没有告诉我们如何去可视化它。

一个很好的方法是画出网格线,就好像它们代表了一个负能量的、无压力的尘埃粒子所受到的力。粒子所受到的力越大,时空曲率就越大。如果我们把它画出来,我们会得到一个非常不同的,可能更有用的景象,如下图所示:

这种景象的最大问题是它很难画出来。值得庆幸的是,随着计算机动画的出现,我们可以想象空间本身是如何弯曲的,即使是运动中的物体。

事实上,空间不是一种构造,而是占据了整个宇宙。简单来说,时空就是:当我们把宇宙中所有的东西都拿走的时候,它就剩下了我们可以拿走的东西。当我们把像质量这样的东西放在宇宙中,时空仍然在那里,但是它的属性被它内部的东西改变了。如果放入的质量越大,时空就越弯曲。

但在某种程度上,我们可以把空间看成是一种构造。但如果这样做了,我们要意识到,这蕴含着把视角降低到一种二维类比。我们宇宙中的空间是三维的,当把空间和时间结合起来,就会得到一个四维的量。当涉及到时空曲率的概念时,这就是广义相对论所指代的。

但在任何情况下,我们都不应该把空间想象成物质,空间并非任何实体物质。这只是一种数学结构,我们可以把它写下来,用引力场方程来描述。虽然物质和辐射以引力场方程预测的精确方式对空间曲率做出了反应,但这并不意味着空间实际上是一种构造。

此外,很多时候我们还会讨论在“空间构造拉伸”背景下的膨胀宇宙,尽管没有构造,也没有真正的拉伸。现在的情况是,在广义相对论看来,宇宙中任意两点之间的距离是根据一组特定的规则而变化的。星系就像嵌在面包里的葡萄干一样,相互远离。辐射的波长也变长了,好像波峰和波谷的长度也在不断膨胀。

但在现实中,没有任何构造导致了膨胀。在葡萄干/面包的类比中,葡萄干(星系)是真实存在的,但是面包(空间的构造)只是一个形象化的东西。

在所有的物理学中,最矛盾的想法之一是,描述宇宙的方程式就是:描述我们可以在物理上观察到的事物的方程式。我们不能观察到“空间的构造”,而不是观察到空无时空中是虚无的,它只是存在。任何我们试图赋予它的视觉效果,无论是二维的结构,三维的网格,还是一个葡萄干/面包结构,都是由人类的认知所创造出来的,理论本身并不需要它。

然而,我们可以观察到的是存在于这个空间中的实体——物质和辐射。这些是我们可以测量的实体,它们的行为使我们能够测试爱因斯坦的广义相对论。我们在接受数学是什么的方面做得并不好,所以我们选择用类比来帮助我们描绘宇宙中正在发生的事情。我们可以观察到广义相对论的可测量结果,而不是时空的实际结构,即使它是由潜在的理论本身所预测的。

在这方面,所有的类比都有局限性和缺陷。广义相对论告诉我们宇宙是如何以一种特定的方式来分布物质和能量,这与我们的观察是一致的。我们可以选择以任何对我们最有意义的方式来可视化它,但是所有的可视化都是有缺陷的。我们所能做的最好的事情就是试着去理解宇宙,尽管实际情况可能令人十分困惑,但这就是现实。