空间到底是什么？宇宙膨胀凭什么可以超光速？

如果把宇宙里的所有东西（包括暗物质、暗能量，甚至是真空中的量子涨落什么的）统统拿掉，那还会剩下什么？有人可能会说：“所有东西都拿掉了，那就什么都没了呗！”但也有人会说：“不对，那不是还有空间本身嘛！”可以看出，这个问题的关键，在于空间可不可以视为一种“东西”。那么，空间的本质到底是什么呢？

我们可以基于空间来定义位置，比如你在房间的某个角落，地球在太阳系的某个位置，银河系在宇宙中的某个方向，这些说法的背后都有一个隐含前提，就是空间它提供了一个坐标系统。但是坐标本身并不能算个“东西”。首先，它没有物理实体，你不能说“你拿个坐标出来”，只能说“你画个坐标出来”。其次，由于坐标是个抽象概念，你可以把整个坐标系平移、旋转，甚至用完全不同的方式重新建立坐标，但最终的物理结果并不会改变，改变的只是我们描述现实的方式。所以，对于坐标来说，真正有物理意义的不是某个“实体”，而是“点与点之间的关系”。在这个层面上你可以认为，空间它不是个“东西”，而更像是一种“关系”。

对空间来说，最基本的关系就是距离。你说“空间有多大”、“两个点之间有多远”，这些事必须是可测量的。而一旦谈到“测量距离”，那就一定得引入一套规则，这套规则在数学上叫做“度规（Metric）”。

从“空间”到“距离”再到“度规”，虽然我们的推导顺序是这样，但这并不意味度规是额外加在空间上的东西，并不是先有的空间再有度规，而是度规就是空间本身。因为如果没有度规，“空间”这个概念也就失去了意义。就像没有了能量流动后的热寂，时间也会失去意义一样。

我知道，这点确实不太好理解，有点反直觉。很多人认为空间是绝对的，比如牛顿的绝对时空观，因为它很符合日常生活中的经验。就拿“两点之间直线最短”来说，虽然在平直空间的欧几里得度规里，这个结论无可厚非，但一旦你换了套度规，这个结论就立马失效。

在弯曲空间里，两点之间的最短路径不再是我们直觉中的直线，在这里，原本“直线运动”的物体像是被什么东西拉着走了一条弯曲的曲线。注意，这里并没有引入任何“力”，仅仅是度规改变了。没错，这便是广义相对论对引力的解释——引力不是一种力，而是空间的弯曲。

由于现实的物理过程不仅会涉及空间位置，还会涉及事件发生的先后顺序，因此通常我们还会把时间纳入进来。于是，我们便得到了关于空间的更完整结构——时空。

爱因斯坦曾说过“时间和空间是一体的，不能分开讨论”，对于时空来说，我们讨论的不再是“空间距离”或者“时间间隔”，而是统一的“时空间隔”。时空间隔的计算规则，同样由度规给出。在平直时空的闵可夫斯基度规里，光速不变、没有引力、所有惯性系等价。这个度规的直接结果就是：时间会随着速度增加而变慢，长度收缩，也就是所谓的“钟慢尺缩”效应。也就是说，不同观察者对于同一事物的“时间”和“长度”的测量会有不同的结果。注意，虽然结果不同，但这些效应并不是真的改变了物体的形态，而仅仅是度规变化让测量结果变了。

现在，可以把引力也纳入进来了。

当有质量存在时，度规不再是闵可夫斯基度规，时空开始变得弯曲，最经典的例子就是经典黑洞的史瓦西度规。对于史瓦西度规来说，当你靠近大质量物体时，时间流逝开始变得缓慢，光的路径也会发生弯曲，一旦越过某个边界（事件视界）甚至会有去无回。注意，这些现象并不是“空间里发生了什么”，而是“空间本身发生了什么”。也就是说，黑洞不是一个“放在空间里的东西”，而是空间本身的一种度规结构。

如果空间就是度规，那么整个宇宙就是一个在更大尺度上的度规结构。而现实观测告诉我们，这个结构不是静止的，而是在一直演化。

宇宙学中通常假设宇宙在大尺度上是均匀且各向同性的，这也被成为“宇宙学第一原理（Cosmological Principle）”。在这个假设下，关于宇宙演化的度规可以写成这样一种形式：空间各部分整体乘上一个随时间变化的因子a(t)，这个因子（a）叫做“尺度因子（Scale Factor）”。它告诉我们，距离的刻度并非固定，而是时刻在变化。因此，宇宙膨胀的本质并不是星系各自在“向外飞”，而是空间度规发生了变化，尺度因子变大了。

也就是说，两个星系随着宇宙膨胀相互远离，它们之间的物理距离确实在变大，但是它们在坐标系（共动坐标系）中的位置却没有变化。狭义相对论说：在平直时空里，物体的运动速度不能超过光速，然而星系本身并没有运动，它们相互远离完全是空间尺度因子变化带来的结果，这便是宇宙膨胀可以超光速的根本原因。

说到包含引力的度规，还有一个东西不得不提，就是引力波。

在某些情况下，度规本身可以以波的形式传播。这种波不是空间中靠介质传播的扰动，而是空间本身的变化。当引力波通过时，两个点之间的距离会发生周期性地变化，但这种变化并非是它俩受到了某种力的拉扯，而是度规本身在变化。这也再一次证明了空间不是一个静态背景，而是一个可以动态演化的物理对象。

到这里，我们似乎已经搞懂了什么是空间，看起来无非就是各种度规的“集合”嘛。但是注意，前面我们一直默认度规是连续的。无论是平直时空还是弯曲时空，它们都建立在平滑时空的基础上。但是在量子理论中，一切都是离散的。在不确定性原理下，当空间小到一定程度时，原本空间中两点之间的距离也不再是固定的数字，而是随着量子涨落变成了一种概率。

在一些理论中，空间在更底层中根本就没有“点”，也没有“距离”，有的只是像社交网络一样的“关系网”。就像你和某个人之间的“距离”，它往往指的不是物理上的公里数，而是你和他之间的一种关系。物理上的距离，只是从这种关系里衍生出来的客观实在。甚至你可以认为，空间结构不是几何意义上的点，而是某种关系网络，度规不是基本变量，而是这些关系在大尺度上的一种描述。

回到最开始的问题：“如果把所有东西都拿掉，还剩下什么？”

在经典理论里，答案是：只剩下了度规，也就是空间还在。但在更深层的理论里，度规也不是基本的，空间只是某种关系的表现。当把“所有东西”都拿掉，那就意味着连空间也被拿掉了。此时剩下的，或许就是宇宙诞生前那种真正的虚无。