Question

空间是客观存在，还是主观感受？为何爱因斯坦认为时空是弯曲的？

Answer 1

我们可以试想一下，周围突然所有事物都消失了，比如街上的行人消失，高楼大厦也消失，整个地球消失，太阳系消失，所有的光也消失，乃至于所有万事万物都消失，那么我们还会剩下什么呢？答案就是空间。 因此空间给我们的直观的感受就是，空间其实什么都不是，空间就是空空如也 。因此就引发了第一个具有争议的问题，那就是空间到底是客观存在，还是人们的主观感受？

相信大部分人都会觉得，空间应该是人的主观感受，也就是说空间其实是人的大脑，为了描述世界的万事万物，所虚构出来的概念而已，而不是客观实体。这种说法对不对呢？其实牛顿早在16世纪就对空间做了定义。牛顿认为空间是一种客观存在的实体，并非人的主观概念，而且空间还是容纳万事万物的一种框架。

也许你会感到奇怪，为何牛顿就敢断言空间不是人的主观感受，而是客观存在？其实我们可以做一个思想实验，假设此时有一个花样滑冰运动员，她正在以优美的舞姿不停旋转，但是突然场地和观众全部消失，不仅仅这样，连地球上的所有事物都消失，包含任何光源和声音等等，最后连宇宙中的所有事物也一并消失，只剩下这位运动员，和周围漆黑的一片。 请问此刻如果运动员还在旋转，她会知道自己正在旋转吗？ 答案是肯定的，因为运动员只要还在旋转，她的手臂就会感受到一个向外的离心力。

但是问题关键在于，宇宙中所有事物已经消失了，如果运动员还在旋转，她是相对谁做旋转？其实答案已经呼之欲出，那就是空间。没错，运动员相对于空间本身在旋转。而这就是牛顿的绝对时空观，这种观点至少证明了，空间虽然你无法看见，也无法触碰到，但绝对是一个客观存在的实体，而不是人所虚构出的概念。而借由牛顿对空间的定义，我们就可以建立三维直角坐标来描述万事万物的运动状态。

所以牛顿相当于把空间比喻成了一个舞台，而万事万物则是舞台上的演员。 牛顿观点认为，舞台和演员是完全独立的事物，舞台无法影响到演员，演员也不能影响舞台 。所以牛顿认为，空间无法影响到运动的物体，同时运动的物体也无法影响到空间本身。而借由这种对空间的描述，牛顿力学大放异彩，解释了当时所遇到的几乎所有力学问题。

所以人们一度认为，牛顿对空间的认知就是真理。而这种空间舞台论，一直持续了200年之久。直到20世纪初，终于有一个人彻底从根源上粉碎了牛顿的这种空间舞台论，而这个人在当时只是瑞士邮政局的普通文员，但是如果我告诉你他的名字，相信没有人不认识，他就是大名鼎鼎的爱因斯坦。

当时所有物理学家都遇到了一个世纪难题，那就是光的速度。举个例子，如果我和你相隔一段距离彼此站立着不动，那么我们两个人的相对速度是0。但是如果我突然朝向你跑来，我们的相对速度可能就是2米每秒，但如果此时你也迈开步伐向我跑来，那么我们的相对速度肯定又会增加一些。用简单的速度叠加公式就能得出以上结论。 但是速度叠加公式如果遇到光这种事物，则完全失效。因为光似乎在任何时刻，不论光源如何运动，不论测量光速的仪器放在哪里，仪器永远显示出的光速是每小时6万7千英里 。

这也就意味着，如果地面上放一个测速仪器，一列火车从旁边经过，火车里面有人突然拿手电筒往火车运动方向打一束光，我们很自然认为，地面上的仪器显示的光速，肯定会大于每小时6万7千英里才对。因为火车会给予光一个额外的速度。但是很可惜的是，仪器显示的数值还是每小时6万7千英里。

而且如果你把实验换个条件，仪器还是放地面，还是有一列火车经过，但是火车里面的人，朝火车运动的反方向打出一束光，我们也很自然的认为，仪器此刻显示的光速应该小于每小时6万7千英里才对。 但是事实非常打脸，仪器显示的数值依然是等于每小时6万7千英里 。似乎速度叠加公式在遇到光这种事物时，瞬间就被打脸了。到底是哪里出了问题呢？

爱因斯坦终于悟到了一个真理，那就是我们不能再把空间和运动的物体独立开来，空间不仅仅是舞台，同时也是演员。 空间不仅仅是客观存在的实体，而且还会和运动的物体相互影响。而之所以光速是宇宙内的最大速度，就是因为空间和时间并非一成不变，它们会联合起来，以一种非常巧妙的方式，让任何有质量的物体永远无法达到光速 。这种观点乍听之下显得非常荒谬，因为如果按照这个观点来推理，那么一个高速运动的物体，会在运动方向上变短，也就是空间会发生变化，迫使物体的长度变短，而这也就是著名的“尺缩效应”。

但是我们在现实生活中，从来没有见过一列火车因为高速运动从而就会变短，所以我们很自然的认为这种观点肯定是错误的。 但是根据洛伦兹变换公式可以得出，只有当物体的速度达到光速的10分之1时，这种尺缩效应才会显现出来 ，而我们的日常生活所接触到的速度，远远小于这个值，所以人类几千年以来，都没有发现原来空间还具有如此的可变性。

随着爱因斯坦对空间的进一步 探索 ，竟然发现引力的本质，也隐藏在空间中。我们都知道，地球上任何物体都会受到一个引力，包括我们经常看见的月亮，之所以会围绕地球旋转，就是因为受到了地球给予的万有引力。但是牛顿只能计算出这种引力的强度，无法解释为什么会产生引力。

爱因斯坦认为，引力的本质就隐藏在空间本身。它认为万有引力只是一种假象，真正让月球围绕地球做旋转运动的原因，是因为地球质量很大，使得周围的时空发生了弯曲。 月球从肉眼上看，似乎走的是椭圆周的曲线运动，但是如果把时空看成是弯曲的，月球走的其实也是直线运动 。所以当我们看见一个物体弯曲，有可能是物体本身从物理结构上的确弯曲了，也有可能是物体没弯曲，只是时空发生了弯曲，这两个概念一定要把它区分开来。

所以从最开始牛顿所提出的静止的绝对时空观，空间只是一个舞台，空间和物体之间完全独立。再到现在爱因斯坦所提出的相对时空观，认为空间和物体是相互联系的，空间不仅是舞台，也充当着演员的角色，这种观念的转变，是人类用直觉战胜经验的伟大创举。

也许说到这里你会觉得，这种时空弯曲的想法，过于大胆，有没有什么证据能够证明呢？当然有，比如你用牛顿的万有引力公式去计算黑洞附近的物体运动情况，就会发现理论计算与实际测量误差特别大，但是如果用爱因斯坦的相对论公式去计算，却发现理论与实际高度吻合。 这就说明尽管牛顿的万有引力更符合人类的直觉，但是相对论所展示出的时空观更接近真理 。而随后2016年人类首次发现引力波，也再次证明了相对论的正确性。

但是人类对空间的 探索 ，并没有因为爱因斯坦而停止前进，因为相对论虽然解释了引力的本质，但是并没有解释质量的本质。 我们现在知道，任何物体都是有质量的，而这种质量就会造成周围的时空弯曲，从而就好像有引力在拉扯彼此。 但是质量到底从何而来？这个问题难倒了当时无数的科学家。直到人们的 探索 领域，从宏观世界切换到了微观世界，人们才发现，原来我们之前对空间的认识，还是显得比较肤浅。因为所有物体都是由分子构成，而分子由原子构成，再细分下去，原子由原子核和电子构成。

所以万事万物从本质上来说，都是由细小的微观粒子构成。但是这和我们所认知的空间有何关系呢？ 有一位科学家叫彼得·希格斯，他认为我们的空间并不是真正意义上的空空如也，空间本身其实是由无数的微观粒子组成，而这种微观粒子也叫希格斯玻色子，它是一种以能量形式存在的微观粒子，和具有实体形态的原子核和电子有本质不同 。而我们之所以会认为一个物体有质量，其实是借助于该物体的运动来判断的。比如你手上握着一个苹果，突然你手一松，我们会发现苹果会马上掉落到地面，也正是由于苹果下坠的运动，让我们对苹果有了质量的概念。而质量产生的来源，其实就是空间本身所具有的希格斯玻色子造成。

当一个物体开始运动时，由于会受到希格斯玻色子的阻碍，这会减慢该物体的运动状态，而此时就产生了质量。 换言之，所有的微观粒子其实从诞生地一刻起，就已经是光速了，但是由于存在希格斯玻色子，这些微观粒子瞬间从光速降低了下来，所以微观粒子就好像是和希格斯玻色子做了一次交易，用自己的光速换取质量 ，而这也就是为什么，凡是有质量的物体都不能达到光速，因为交易是一手交钱，一手交货，既然你已经用光速换取了质量，所以你不可能既有光速又有质量。

而这也意味着，也只有像光子这种微观粒子，由于没有静质量，所以它是唯一的一个没有和希格斯玻色子做交易的粒子，而它就能达到光速。 所以研究到这里，我们才发现，原来空间这种事物，真的是一种实体，绝对不是人类虚构的概念，也正是空间给予了物体质量这个东西。 空间远远比我们想象的要复杂很多。所以希格斯这位科学家证明了：真空并不空，希格斯玻色子大量存在于真空，并且它也是真空的其中一种组成部分。

人类终于搞明白了真空的成分以后，这就带来了一个疑问，那就是宇宙的最终命运到底是什么？我们知道宇宙最开始是起源于140亿年前的大爆炸，但是当宇宙大爆炸的一瞬间，虽然给予了所有天体一个初始的运动速度，但是并没有给予天体持续向外扩张的动力。所以天体虽然现阶段处于彼此扩张远离的状态。 但是根据牛顿的万有引力定律，天体之间会相互吸引，所以当所有天体扩张到一定程度，会开始静止扩张，并反向彼此靠拢 。或者换一个说法，天体会因为彼此的质量，使得周围的时空发生弯曲，从而彼此靠拢。但是我们实际观测的结果却发现，所有天体都在不断加速远离我们。

其实天体之所以远离我们，就是宇宙大爆炸的一刻给予了一个初始速度，但是如果没有持续的排斥力，天体是不会加速远离我们。因为加速这两个字，就意味着肯定存在一股力量，在克服了万有引力的基础上，还能让天体彼此远离，这种力量其实就是由暗物质产生。所以空间的另外一个属性：暗物质，开始映入人们的眼帘。

根据测算，宇宙中暗物质的总量占据了宇宙总量的百分之70。这也意味着空间不仅不是空空如也，不仅存在希格斯玻色子，还存在一种看不见摸不到的物质，也就是暗物质，而它却占据了宇宙的大部分。也正是由于暗物质的存在，使得天体之间将永远没有机会彼此靠拢，从而避免了宇宙再次产生大爆炸。而这或许证明了：时间虽然有开端，但是永远没有尽头。

通过分析人们对空间的 探索 ，我们才恍然大悟，原来人类的经验和直觉，在科学的真理面前，有时会显得如此微不足道。 从最开始人类认为空间只是大脑虚构的概念，再到牛顿时代，认为空间是一个客观存在的舞台，空间和物体完全独立。再到爱因斯坦所提出的时空弯曲理论，证明了空间不仅是舞台，还是演员，能够影响到物体的运动 。