什么是时空？基本问题仍需完善和发展

　　北京时间12月26日消息，据国外媒体报道，时空（时间空间）结构是三维空间与四维时间相结合的概念模型。根据目前最好的物理理论，时空解释了物体在接近光速时产生的不同寻常的相对论效应，以及宇宙中大型物体的运动。
　　谁发现了时空？
　　著名的物理学家阿尔伯特爱因斯坦在他的相对论中拓展了时空的概念。在他的开创性工作之前，科学家用两种不同的理论来解释物理现象，分别是牛顿的物理定律和詹姆斯克拉克麦克斯韦的电磁模型，前者描述了大质量物体的运动，后者则解释了光的属性。
　　然而，在19世纪末进行的实验表明，光有其特殊之处。测量结果显示，无论发生什么情况，光总是以同样的速度传播。1898年，法国物理学家和数学家亨利庞加莱（HenriPoincare）推测，光速可能是一个无法超越的极限。大约在同一时间，其他研究人员也在思考物体的大小和质量随速度变化的可能性。
　　爱因斯坦在1905年提出了狭义相对论，将所有这些观点综合在一起。狭义相对论假设光速是一个常数，要做到这一点，空间和时间必须结合成一个单一的框架，保证所有观察者看到的光速是相同的。
　　一个乘坐超高速火箭的人，与一个以慢得多的速度旅行的人相比，其观察到的时间流动将更慢，物体的长度更短。这是因为空间和时间是相对的，都取决于观察者的速度。因此，光速是比这两者更基本的概念。
　　时空是单一结构的结论不是爱因斯坦自己得出的。这个想法来自德国数学家赫尔曼闵可夫斯基（HermannMinkowski），他在1908年的一次学术会议上说：从今以后，单是空间或是时间，都注定要隐没入阴影之中，只有二者的结合才能维系一个独立的现实。
　　他所描述的时空仍然被称为闵可夫斯基时空，是相对论和量子场论的计算背景。天体物理学家和科学作家伊桑西格尔（EthanSiegel）表示，在量子场论中，亚原子粒子的动力学被描述为场。
　　时空是如何运作的？
　　如今，当人们谈论时空时，他们通常把它描述成像一张橡皮膜。这也来自于爱因斯坦，他在发展广义相对论的过程中认识到，引力的产生是由于时空结构中的弯曲。
　　巨大的物体如地球、太阳等都会在时空中造成扭曲。这些弯曲反过来又限制了宇宙中所有物体运动的方式，因为物体必须沿着弯曲的曲率运动。引力引起的运动实际上是沿着弯曲的时空在运动。
　　2011年，美国国家航空航天局（NASA）的引力探测器B（GravityProbeB，简称GPB）任务测量了地球周围时空漩涡的形状，发现其与爱因斯坦的预测非常吻合。但对大多数人来说，时空结构的弯曲仍然难以理解。虽然我们可以把时空比作一张橡皮膜，但这种类比最终还是站不住脚。橡皮膜是二维的，而时空是四维的。这张膜不仅要代表空间上的扭曲，也要代表时间上的扭曲。对物理学家来说，用来解释这一切的复杂方程组也很棘手。
　　爱因斯坦制造了一台漂亮的机器，但他没有给我们留下用户手册，天体物理学家保罗萨特（PaulSutter）写道，为了让大家能够理解，广义相对论已经变得十分复杂，以至于当有人发现方程的解时，他们就会以自己名字为其命名，并凭借自己的能力成为半传奇人物。
　　科学家还不知道的
　　尽管相对论十分复杂，但它仍然是解释我们已知物理现象的最佳理论。不过，科学家也知道目前的模型仍是不完整的，因为相对论仍然没有完全与量子力学相统一。量子力学非常精确地解释了亚原子粒子的属性，但并没有包含万有引力。
　　量子力学基于这样一个事实：组成宇宙的微小粒子是离散的，或者说量子化的。因此光子（组成光的粒子）就像小块的光，以不同的方式出现。
　　一些理论物理学家推测，或许时空本身也以这些量子化的块体形式存在，这将有助于架起相对论和量子力学之间的桥梁。欧洲空间局（ESA）的研究人员提议成立用于时空量子探索的伽马射线天文学国际实验室（GammarayAstronomyInternationalLaboratoryforQuantumExplorationofSpaceTime，简称GrailQuest），这项任务将绕着地球飞行，对遥远宇宙的伽马射线暴进行超精确测量，从而进一步揭示时空的性质。
　　这样的任务至少要15年以后才会发射，但如果发射成功，它很可能将帮助科学家解决物理学中最大的谜团。