宇宙就像一個巨型空心球。即使在地球上，我們身處其中的豐富世界也不過是一種假象。如果扣除原子內(nèi)未被占據(jù)的空間，我們所有人加起來也只占了一塊方糖大小的空間。不過，空間的物質(zhì)密度高達(dá)每立方厘米5億噸。
地球外的太空沒有原子那么空。想象力豐富的科幻小說家有時把太陽系內(nèi)行星的公轉(zhuǎn)類比于圍繞原子核運(yùn)動的電子。實(shí)際上，這個比喻不是很貼切。相對于其構(gòu)成物的個頭而言，原子要比太陽系空曠一萬倍。然而，在行星和恒星之間，我們的肉眼或者望遠(yuǎn)鏡還是什么也看不到。
從太陽附近到星際空間、再到星系際空間的邊緣，太空的平均密度下降得非?？臁＃▓D片來源：ASTRONOMY：ROEN KELLY）
“空”的紛擾
從有記載的人類歷史起，太空的奧秘一直困擾著人類。古希臘人——強(qiáng)迫性邏輯學(xué)家——認(rèn)為天空中看起來空無一物的區(qū)域不可能真是空的，因?yàn)椤翱铡笔遣淮嬖诘?。他們認(rèn)為，如果我們說空間是空的，就應(yīng)該把動詞“是”拿掉——因?yàn)椤笆恰币馕吨嬖?，如此才能否定它。他們由此認(rèn)為“某東西是空的”這樣的說法自相矛盾。這就如同說“你在跑，又沒在跑?！?/span>
煙斗星云（編號巴納德59）是暗星云。星云中致密的塵埃渦狀團(tuán)塊阻擋了其身后銀河系的星光，正因如此，它才得以顯露出來。（圖片來源：ESO）
接下來是堅(jiān)守“不存在什么都沒有”的信條、唱誦“阿門”的宗教信徒：既然上帝無處不在，就不可能存在什么都沒有的真空。而且，許多18、19世紀(jì)的科學(xué)家認(rèn)為光是波，只能在某種介質(zhì)中傳播。聲波的傳播需要借助空氣。因此，路上的行人才能聽到汽車?yán)锏囊繇懓l(fā)出的重低音樂曲。同樣地，太陽或者恒星發(fā)出的光也需要借助某種介質(zhì)才能把光波的振動從恒星那里傳到我們這里。厭惡“空”的人群包括科學(xué)家、宗教信徒和哲學(xué)家。他們說了算。如果你支持“空”，你會被視為瘋子——盡管總會有那么幾個持異議者，例如著名的數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家布萊茲·帕斯卡（Blaise Pascal）。這種充滿宇宙的假想介質(zhì)最初被稱為plenum，后來又叫以太。在幾百年里，人們對它的存在深信不疑。
以太不存在的證據(jù)
1887年的邁克爾遜-莫雷（Michelson-Morley）實(shí)驗(yàn)（歷史上最著名的一次實(shí)驗(yàn)）給以太的存在帶來重重的一擊。阿爾伯特·邁克爾遜（Albert Michelson）認(rèn)為，如果地球在以太中穿行，那么，沿地球運(yùn)動方向傳播的光束將會被加速。它的反射光波應(yīng)該會比沿垂直地球運(yùn)動方向傳播的光束的反射光運(yùn)動得快。在愛德華·莫雷（Edward Morley）的協(xié)助下，邁克爾遜把一臺儀器固定在一個浮在水銀中的、穩(wěn)定的水泥平臺上。這個多鏡面儀器可以隨意旋轉(zhuǎn)，同時不發(fā)生傾斜。實(shí)驗(yàn)結(jié)果無可爭議：在“以太流”中往返橫穿的光束與沿地球運(yùn)動方向傳播出去、又反射回來的光束花費(fèi)的時間幾乎一樣長。這說明，要么地球在公轉(zhuǎn)的時候停住了，要么以太根本不存在。
阿爾伯特·邁克爾遜（Albert Michelson）與愛德華·莫雷（Edward Morley）的實(shí)驗(yàn)證實(shí)以太根本不存在。（圖片來源：COURTESY OF THE SMITHSONIAN LIBRARIES, WASHINGTON, D.C.）
幾年后，阿爾伯特·愛因斯坦徹底解決了這個問題。1905年，他在《狹義相對論》中證明光能夠在真空中傳播。無需借助任何物質(zhì)，電磁波動便可以傳播出去。
這真是個好消息。其實(shí)，認(rèn)為行星可以毫無阻礙地在某種介質(zhì)中穿行簡直毫無道理。我們可以擺脫以太了?，F(xiàn)在，形勢完全轉(zhuǎn)向了另一邊，人人都喜歡“空無一物”了。甚至連宗教也不再厭惡真空了。
風(fēng)中之塵
啊，別那么快就認(rèn)定太空真的空無一物。遙遠(yuǎn)恒星的光譜帶有其途經(jīng)的物質(zhì)產(chǎn)生的吸收線。畢竟，太空里還存在著一些稀薄的物質(zhì)——絕大多數(shù)都是氫原子，還有類似質(zhì)子、電子這樣的原子構(gòu)成物。簡單的計(jì)算表明，平均來講，每立方厘米的太空中就漂浮著一個原子。
太空到底有多“空”，取決于其鄰近的區(qū)域。在我們附近，太陽不斷發(fā)射粒子流。上世紀(jì)50年代，物理學(xué)家Gene Parker把它稱為太陽風(fēng)。第一批上天的人造衛(wèi)星證實(shí)了太陽風(fēng)的存在——其平均密度為一塊方糖大小的體積內(nèi)有3-6個原子。這個密度足以催生出彗星的彗尾，就像機(jī)場的風(fēng)向袋標(biāo)示出風(fēng)的方向，彗尾總是指向遠(yuǎn)離太陽的方向。
除了那些吸收譜線，持續(xù)轟擊地球的宇宙射線也支持太空中存在稀薄的星際介質(zhì)。據(jù)推測，這些宇宙射線源自于遙遠(yuǎn)的猛烈爆炸事件，例如超新星爆發(fā)——在此過程中，恒星被炸成碎片，碎屑四處飛濺。不過，讓人百思不得其解的是，宇宙射線粒子有99%都是質(zhì)子和原子核。如果宇宙中的電子和質(zhì)子數(shù)目一樣多，為什么宇宙射線主要由質(zhì)子組成？雖然宇宙射線的存在表明了太空中到處都有粒子，但這個疑問仍然沒有解答。
還有一些幾乎沒有“存在感”的粒子。它們徑直穿過絕大多數(shù)物質(zhì)，其質(zhì)量小到幾不可測。宇宙中到處都有中微子。還有各種光子。除了粒子，宇宙中還彌漫著“場”。磁場和電場在太空中四處流轉(zhuǎn)。引力波也以其獨(dú)特的韻律在宇宙中傳播。因此，盡管它們所占的份額不大，太空里還是存在著不少東西的。
雖然我們能夠由星系的相互作用推知暗物質(zhì)的存在，但數(shù)值模擬可以描繪宇宙中暗物質(zhì)的分布，把塑造宇宙的巨大暗物質(zhì)框架展現(xiàn)在我們眼前。（圖片來源：THE EAGLE COLLABORATION / J. SCHAYE / R. BOWER / J. BORROW）
空的威力
最令人著迷的或許是宇宙中無所不在的“真空能”。上世紀(jì)30年代，科學(xué)家們假定真空有“真空能”。它也被稱為零點(diǎn)能，是宇宙最根本的基質(zhì)。雖然神秘莫測，我們還是有理由相信它確實(shí)存在。例如，1948年，荷蘭物理學(xué)家Hendrik Casimir揭示了在真空能的波動作用下，彼此靠得很近的金屬片能夠貼合得非常緊密（金屬片間的微小空隙限制了能量波，迫使金屬片沒有“喘息的空間”來對抗外面的壓力）。
絕大多數(shù)物理學(xué)家都相信是真空能產(chǎn)生了Casimir效應(yīng)。雖然計(jì)算得到的真空總能量數(shù)值差異極大（事實(shí)上，理論預(yù)測與測量結(jié)果相差了100個數(shù)量級，這也被稱為真空危機(jī)），但它卻至關(guān)重要。粗略估計(jì)，如果真空能能夠被提取、利用，一個蛋黃醬罐子那么大的空間所包含的真空能足以在一秒鐘內(nèi)煮沸太平洋。粒子-反粒子對不停歇地迅速產(chǎn)生又轉(zhuǎn)瞬消失似乎是這個潛在能量的源頭。整個宇宙雖然看似空無一物，卻暗涌著如此巨大的能量，幾乎不能自持了。
這或許就是促使宇宙膨脹的“暗能量”。如果它真是導(dǎo)致宇宙大爆炸的根本原因，那么宇宙將會一直膨脹下去。而這一切都是“空”的功勞。
愛德溫·哈勃觀測了許多星系—— 包括風(fēng)車星系（M101，上圖），得到了令人吃驚和不安的發(fā)現(xiàn)——宇宙空間正在膨脹。（圖片來源：NASA / ESA / K. KUNTZ (JHU) / F. BRESOLIN (UNIVERSITY OF HAWAII) / J. TRAUGER (JET PROPULSION LAB) / J. MOULD (NOAO) / Y.-H. CHU (UNIVERSITY OFILLINOIS, URBANA) / STScl）
與視角有關(guān)
雖然稀奇古怪，但還能接受。不過，更難理解的是另一種完全不同的“空”——一種把符合邏輯的太空轉(zhuǎn)變成謎一般令人費(fèi)解的“空”。自上世紀(jì)90年代晚期，實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證實(shí)了量子理論提出的量子糾纏。兩個光子或者物質(zhì)實(shí)體、甚至物質(zhì)團(tuán)塊一同產(chǎn)生，然而彼此分離、各自為生，卻總能“知曉”對方的狀態(tài)。如果測量或者觀測其中一個，另一個就會知道發(fā)生了什么，并且立刻相應(yīng)地改變性質(zhì)。無論兩者相隔多遠(yuǎn)，都好似一枚硬幣的兩面，不僅知道彼此所處的狀態(tài)，還能步調(diào)一致，沒有任何空間上或者時間上的延遲。
這強(qiáng)有力地說明，在某種程度上，物體并非真正地彼此分隔、不通消息?！翱铡蓖耆皇俏覀兯J(rèn)為的那樣。如果彼此相隔遙遠(yuǎn)的物體之間也能夠有聯(lián)系，所謂的空間或者間隔又有什么意義呢？
等一下，還有更糟糕的。愛因斯坦的相對論指出，時空不是恒定不變的，因此，從本質(zhì)上來說，它不是獨(dú)立存在的。高速運(yùn)動會使時空收縮。當(dāng)我們在星空下漫步，我們會驚詫于恒星的遙遠(yuǎn)與宇宙的浩渺無垠。但是，這些距離取決于我們觀察的視角——愛因斯坦稱之為“參考系”，這已經(jīng)被反復(fù)證明過了。因此，沒有本質(zhì)上固定不變的真實(shí)存在。這樣說并不是在否定太空，只是說它是不確定的。
如果我們生活在強(qiáng)引力場中或者正在高速運(yùn)動，恒星與我們的間距就會完全不同。如果我們以光速的99%朝著南河三（小犬座阿爾法星）飛去，我們會發(fā)現(xiàn)它離我們不到2光年遠(yuǎn)，而不是之前測量的11光年遠(yuǎn)。如果我們以同樣快的速度橫穿一個6米長的客廳，客廳的實(shí)際長度就會是3米。如果我們的運(yùn)動速度達(dá)到光速的99.9999999%（這完全不違反物理定律），客廳的長度就會僅比句尾的句號長度長一點(diǎn)點(diǎn)。那么，值得我們信賴的空間量度在哪里？我們觀測恒星、星系時所依賴的尺度框架又在哪里呢？
從此處運(yùn)動到彼處要花多少時間？若以接近光速的速度運(yùn)動，等待朋友回家的漫長時光會過得好像短途旅行一般快。（圖片來源：ASTRONOMY: ROEN KELLY）
頭腦中的幻象？
更抽象一點(diǎn)說，我們甚至可以質(zhì)疑太空究竟是真實(shí)的物理存在，還是僅僅為了解釋我們看到的一切而在頭腦中想象出來的。我們對多維物體的感覺是否是生物體邏輯思維的一部分？
我們之中的絕大多數(shù)人把太空視為沒有墻的廣闊區(qū)域。這個沒有邊界的巨大體積內(nèi)，藏著數(shù)不清的物體。只有每一個物體都是孤立存在，并有可識別的性狀，我們才會把它們視為獨(dú)立個體。此外，要將它們一一區(qū)分開，還需要它們彼此間隔。
但是，如果這些物體只不過是更加強(qiáng)大的、更基本的真空能（因?yàn)闊o法看到而不為人知）的一點(diǎn)點(diǎn)物質(zhì)化表現(xiàn)呢？換一種思路，除了用空間分隔開物體，我們能否看到它們更加基本的同一性？如果已知的物體被我們的大腦用顏色、形狀或者用途來區(qū)分，我們也許要問一問，太空究竟是真實(shí)存在，還是只是感覺而已。
也有一小部分人意識到，觀測者和宇宙彼此關(guān)聯(lián)。按此推理，“外在”的太空只是意識的延續(xù)。除了觀測者，別無他物。如果真是如此，那最遙遠(yuǎn)的地方不在別處，就在我們的大腦中。好吧，讓我們暫時忘記這一點(diǎn)，因?yàn)?，要證明這不是瘋話需要花費(fèi)一百頁篇幅去解釋。
總之，我們有多個理由說明空間并非我們過去所認(rèn)為的、僅僅是分隔物體的空白區(qū)域。要不要我們逐一列舉一下理由？：（1）真空不空，特別是當(dāng)我們想到還有各種場、光子、中微子、真空能和瞬態(tài)粒子對存在的時候。（2）物體的間距依賴于許多的相對條件，沒有絕對固定不變的距離。（3）相隔遙遠(yuǎn)的物體是否真正地、完全地彼此分離？量子理論對此抱有嚴(yán)重的懷疑。（4）我們把分隔開物體的區(qū)域稱為空間，只是因?yàn)檎Z言和習(xí)慣讓我們?yōu)槠鋭澏ㄟ吔?。太陽?nèi)部的原子之間和原子內(nèi)的巨大空間也能被稱為“外部空間”嗎？
太空帶給我們的精神折磨毫無停止的跡象。理論物理學(xué)家想知道，是否存在最小的、無法再細(xì)分的空間；一些人說有。另一些人則提出，除了三維空間和第四維時間外，還存在更多維數(shù)的空間。復(fù)雜的數(shù)學(xué)論證可以證明我們看不見的多維空間是有可能存在的。但另一方面，不少科學(xué)家認(rèn)為，多維空間只是推測，它們的存在與否只能由實(shí)驗(yàn)或者觀測來證實(shí)。
即使刪掉那些聽上去古怪離奇的內(nèi)容，也還有許多問題值得我們深思。讓我們不妨從一個簡單的問題開始：宇宙的主要部分——太空是什么？
讓我們開動腦筋，好好思考一下吧。
上面這些圖片分別以百倍或者千倍放大占據(jù)空間的物體（單位是米）。然而，從最大的星系團(tuán)到最小的原子，無論哪一級，物體本身的大小都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于物質(zhì)間的距 離。10的26次方：可觀測的宇宙；10的23次方：星系團(tuán)；10的21次方：星系；10的18次方：星團(tuán)；10的16次方：奧托云；10的13次方：太 陽系；10的11次方：地球的公轉(zhuǎn)軌道；10的8次方：月球的公轉(zhuǎn)軌道；10的6次方：地球；10的3次方：美國巴爾的摩的內(nèi)港；10的0次方：人；10 的-2次方：人類手指的指尖；10的-4次方：皮膚；10的-6次方：細(xì)胞；10的-9次方：蛋白質(zhì)；10的-11次方：碳原子；10的-14次方：碳原 子核；10的??次方：夸克。（圖片來源：10的26次方：ESA / PLANCK COLLABORATION; 10的23次方：NASA / ESA / M. MONTES (IAC) / J. LOTZ, M. MOUNTAIN, A. KOEKEMOER, HFF TEAM (STScl); 10的21、18次方：NASA / ESA / HUBBLE HERITAGE TEAM (STScl 、 AURA)；10的26、13、11、8次方：ASTRONOMY: ROEN KELLY；10的6次方：NOAA / NASA GOES PROJECT; 10的2次方：THINKSTOCK; RON CHAPPLE STOCK / RON CHAPPLE STUDIOS; 10的0次方：PIXLAND; 10的-2次方：THINKSTOCK / ISTOCK; DENYS PRYKHODOV; 10的-4次方：JEKA 1984; 10的-6次方：UGREEN; 10的-9次方：RAILELECTROPOWER; 10的-11、-14、??次方：ASTRONOM：ROEN KELLY）
