新浪科技訊 北京時(shí)間12月26日消息，據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，時(shí)空（時(shí)間-空間）結(jié)構(gòu)是三維空間與四維時(shí)間相結(jié)合的概念模型。根據(jù)目前最好的物理理論，時(shí)空解釋了物體在接近光速時(shí)產(chǎn)生的不同尋常的相對(duì)論效應(yīng)，以及宇宙中大型物體的運(yùn)動(dòng)。

　　誰(shuí)發(fā)現(xiàn)了時(shí)空？

　　著名的物理學(xué)家阿爾伯特·愛(ài)因斯坦在他的相對(duì)論中拓展了時(shí)空的概念。在他的開(kāi)創(chuàng)性工作之前，科學(xué)家用兩種不同的理論來(lái)解釋物理現(xiàn)象，分別是牛頓的物理定律和詹姆斯·克拉克·麥克斯韋的電磁模型，前者描述了大質(zhì)量物體的運(yùn)動(dòng)，后者則解釋了光的屬性。

　　然而，在19世紀(jì)末進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)表明，光有其特殊之處。測(cè)量結(jié)果顯示，無(wú)論發(fā)生什么情況，光總是以同樣的速度傳播。1898年，法國(guó)物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家亨利·龐加萊（Henri Poincare）推測(cè)，光速可能是一個(gè)無(wú)法超越的極限。大約在同一時(shí)間，其他研究人員也在思考物體的大小和質(zhì)量隨速度變化的可能性。

　　愛(ài)因斯坦在1905年提出了狹義相對(duì)論，將所有這些觀(guān)點(diǎn)綜合在一起。狹義相對(duì)論假設(shè)光速是一個(gè)常數(shù)，要做到這一點(diǎn)，空間和時(shí)間必須結(jié)合成一個(gè)單一的框架，保證所有觀(guān)察者看到的光速是相同的。

　　一個(gè)乘坐超高速火箭的人，與一個(gè)以慢得多的速度旅行的人相比，其觀(guān)察到的時(shí)間流動(dòng)將更慢，物體的長(zhǎng)度更短。這是因?yàn)榭臻g和時(shí)間是相對(duì)的，都取決于觀(guān)察者的速度。因此，光速是比這兩者更基本的概念。

　　時(shí)空是單一結(jié)構(gòu)的結(jié)論不是愛(ài)因斯坦自己得出的。這個(gè)想法來(lái)自德國(guó)數(shù)學(xué)家赫爾曼·閔可夫斯基（Hermann Minkowski），他在1908年的一次學(xué)術(shù)會(huì)議上說(shuō)：“從今以后，單是空間或是時(shí)間，都注定要隱沒(méi)入陰影之中，只有二者的結(jié)合才能維系一個(gè)獨(dú)立的現(xiàn)實(shí)。”

　　他所描述的時(shí)空仍然被稱(chēng)為閔可夫斯基時(shí)空，是相對(duì)論和量子場(chǎng)論的計(jì)算背景。天體物理學(xué)家和科學(xué)作家伊桑·西格爾（Ethan Siegel）表示，在量子場(chǎng)論中，亞原子粒子的動(dòng)力學(xué)被描述為場(chǎng)。

　　時(shí)空是如何運(yùn)作的？

　　如今，當(dāng)人們談?wù)摃r(shí)空時(shí)，他們通常把它描述成像一張橡皮膜。這也來(lái)自于愛(ài)因斯坦，他在發(fā)展廣義相對(duì)論的過(guò)程中認(rèn)識(shí)到，引力的產(chǎn)生是由于時(shí)空結(jié)構(gòu)中的彎曲。

　　巨大的物體——如地球、太陽(yáng)等——都會(huì)在時(shí)空中造成扭曲。這些彎曲反過(guò)來(lái)又限制了宇宙中所有物體運(yùn)動(dòng)的方式，因?yàn)槲矬w必須沿著彎曲的曲率運(yùn)動(dòng)。引力引起的運(yùn)動(dòng)實(shí)際上是沿著彎曲的時(shí)空在運(yùn)動(dòng)。

　　2011年，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）的引力探測(cè)器B（Gravity Probe B，簡(jiǎn)稱(chēng)GP-B）任務(wù)測(cè)量了地球周?chē)鷷r(shí)空漩渦的形狀，發(fā)現(xiàn)其與愛(ài)因斯坦的預(yù)測(cè)非常吻合。但對(duì)大多數(shù)人來(lái)說(shuō)，時(shí)空結(jié)構(gòu)的彎曲仍然難以理解。雖然我們可以把時(shí)空比作一張橡皮膜，但這種類(lèi)比最終還是站不住腳。橡皮膜是二維的，而時(shí)空是四維的。這張膜不僅要代表空間上的扭曲，也要代表時(shí)間上的扭曲。對(duì)物理學(xué)家來(lái)說(shuō)，用來(lái)解釋這一切的復(fù)雜方程組也很棘手。

　　“愛(ài)因斯坦制造了一臺(tái)漂亮的機(jī)器，但他沒(méi)有給我們留下用戶(hù)手冊(cè)，”天體物理學(xué)家保羅·薩特（Paul Sutter）寫(xiě)道，“為了讓大家能夠理解，廣義相對(duì)論已經(jīng)變得十分復(fù)雜，以至于當(dāng)有人發(fā)現(xiàn)方程的解時(shí)，他們就會(huì)以自己名字為其命名，并憑借自己的能力成為半傳奇人物。”

　　科學(xué)家還不知道的

　　盡管相對(duì)論十分復(fù)雜，但它仍然是解釋我們已知物理現(xiàn)象的最佳理論。不過(guò)，科學(xué)家也知道目前的模型仍是不完整的，因?yàn)橄鄬?duì)論仍然沒(méi)有完全與量子力學(xué)相統(tǒng)一。量子力學(xué)非常精確地解釋了亞原子粒子的屬性，但并沒(méi)有包含萬(wàn)有引力。

　　量子力學(xué)基于這樣一個(gè)事實(shí)：組成宇宙的微小粒子是離散的，或者說(shuō)量子化的。因此光子（組成光的粒子）就像小塊的光，以不同的方式出現(xiàn)。

　　一些理論物理學(xué)家推測(cè)，或許時(shí)空本身也以這些量子化的塊體形式存在，這將有助于架起相對(duì)論和量子力學(xué)之間的橋梁。歐洲空間局（ESA）的研究人員提議成立“用于時(shí)空量子探索的伽馬射線(xiàn)天文學(xué)國(guó)際實(shí)驗(yàn)室”（Gamma-ray Astronomy International Laboratory for Quantum Exploration of Space-Time，簡(jiǎn)稱(chēng)GrailQuest），這項(xiàng)任務(wù)將繞著地球飛行，對(duì)遙遠(yuǎn)宇宙的伽馬射線(xiàn)暴進(jìn)行超精確測(cè)量，從而進(jìn)一步揭示時(shí)空的性質(zhì)。

　　這樣的任務(wù)至少要15年以后才會(huì)發(fā)射，但如果發(fā)射成功，它很可能將幫助科學(xué)家解決物理學(xué)中最大的謎團(tuán)。（任天）