北京時間12月26日消息，據(jù)國外媒體報道，時空（時間-空間）結構是三維空間與四維時間相結合的概念模型。根據(jù)目前最好的物理理論，時空解釋了物體在接近光速時產(chǎn)生的不同尋常的相對論效應，以及宇宙中大型物體的運動。
誰發(fā)現(xiàn)了時空？
著名的物理學家阿爾伯特·愛因斯坦在他的相對論中拓展了時空的概念。在他的開創(chuàng)性工作之前，科學家用兩種不同的理論來解釋物理現(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，前者描述了大質量物體的運動，后者則解釋了光的屬性。
然而，在19世紀末進行的實驗表明，光有其特殊之處。測量結果顯示，無論發(fā)生什么情況，光總是以同樣的速度傳播。1898年，法國物理學家和數(shù)學家亨利·龐加萊（Henri Poincare）推測，光速可能是一個無法超越的極限。大約在同一時間，其他研究人員也在思考物體的大小和質量隨速度變化的可能性。
愛因斯坦在1905年提出了狹義相對論，將所有這些觀點綜合在一起。狹義相對論假設光速是一個常數(shù)，要做到這一點，空間和時間必須結合成一個單一的框架，保證所有觀察者看到的光速是相同的。
一個乘坐超高速火箭的人，與一個以慢得多的速度旅行的人相比，其觀察到的時間流動將更慢，物體的長度更短。這是因為空間和時間是相對的，都取決于觀察者的速度。因此，光速是比這兩者更基本的概念。
時空是單一結構的結論不是愛因斯坦自己得出的。這個想法來自德國數(shù)學家赫爾曼·閔可夫斯基（Hermann Minkowski），他在1908年的一次學術會議上說：“從今以后，單是空間或是時間，都注定要隱沒入陰影之中，只有二者的結合才能維系一個獨立的現(xiàn)實?！?/p>
他所描述的時空仍然被稱為閔可夫斯基時空，是相對論和量子場論的計算背景。天體物理學家和科學作家伊?！の鞲駹枺‥than Siegel）表示，在量子場論中，亞原子粒子的動力學被描述為場。
時空是如何運作的？
如今，當人們談論時空時，他們通常把它描述成像一張橡皮膜。這也來自于愛因斯坦，他在發(fā)展廣義相對論的過程中認識到，引力的產(chǎn)生是由于時空結構中的彎曲。
巨大的物體——如地球、太陽等——都會在時空中造成扭曲。這些彎曲反過來又限制了宇宙中所有物體運動的方式，因為物體必須沿著彎曲的曲率運動。引力引起的運動實際上是沿著彎曲的時空在運動。
2011年，美國國家航空航天局（NASA）的引力探測器B（Gravity Probe B，簡稱GP-B）任務測量了地球周圍時空漩渦的形狀，發(fā)現(xiàn)其與愛因斯坦的預測非常吻合。但對大多數(shù)人來說，時空結構的彎曲仍然難以理解。雖然我們可以把時空比作一張橡皮膜，但這種類比最終還是站不住腳。橡皮膜是二維的，而時空是四維的。這張膜不僅要代表空間上的扭曲，也要代表時間上的扭曲。對物理學家來說，用來解釋這一切的復雜方程組也很棘手。
“愛因斯坦制造了一臺漂亮的機器，但他沒有給我們留下用戶手冊，”天體物理學家保羅·薩特（Paul Sutter）寫道，“為了讓大家能夠理解，廣義相對論已經(jīng)變得十分復雜，以至于當有人發(fā)現(xiàn)方程的解時，他們就會以自己名字為其命名，并憑借自己的能力成為半傳奇人物。”
科學家還不知道的
盡管相對論十分復雜，但它仍然是解釋我們已知物理現(xiàn)象的最佳理論。不過，科學家也知道目前的模型仍是不完整的，因為相對論仍然沒有完全與量子力學相統(tǒng)一。量子力學非常精確地解釋了亞原子粒子的屬性，但并沒有包含萬有引力。
量子力學基于這樣一個事實：組成宇宙的微小粒子是離散的，或者說量子化的。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)。
一些理論物理學家推測，或許時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論和量子力學之間的橋梁。歐洲空間局（ESA）的研究人員提議成立“用于時空量子探索的伽馬射線天文學國際實驗室”（Gamma-ray Astronomy International Laboratory for Quantum Exploration of Space-Time，簡稱GrailQuest），這項任務將繞著地球飛行，對遙遠宇宙的伽馬射線暴進行超精確測量，從而進一步揭示時空的性質。
這樣的任務至少要15年以后才會發(fā)射，但如果發(fā)射成功，它很可能將幫助科學家解決物理學中最大的謎團。
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