在探究我們所處的宇宙之前，我們首先需要明確兩個關鍵的概念：時空與物質。很多人都對這兩個概念有所耳聞，但是它們之間的關系是如何的呢？
時空是物質存在的舞台。當我們談論物體在某個地方停留了多久，或者它從這裏到那裏需要多長時間，我們其實在描述時空的兩個方面：空間與時間。與此同時，物質是這個宇宙的行動者，它們在時空中移動，互相作用，產生了我們所熟悉的一切。但更為有趣的是，物質並不僅僅是在時空中被動的存在，它還能影響時空。
這聽起來似乎有些不可思議。常常，我們把時間想象成是恒定不變的，而空間則是一個靜態的背景。但實際上，物質的存在能夠使時空產生彎曲。想象一下，如果你在一個大的橡皮膜上放置一個重物，橡皮膜會下凹。同理，物質的存在在某種意義上「壓迫」了周圍的時空，使其發生變形。
這裏，我們可能需要一個實際的例子來說明。1971年，科學家進行了一個著名的實驗，稱為哈費爾-凱廷實驗。他們將兩塊精確的原子鐘放在不同的地方：一塊放在海拔高的山上，一塊放在海平面。經過一段時間後，他們發現山上的原子鐘比海平面上的稍微快了一點。這是因為地球的重力在山頂較弱，從而導致時間流逝得更快。這就是物質——在這裏指的是地球——如何影響時空的一個直觀例子。
此外，不僅是品質巨大的物體如星球、恒星可以影響時空，甚至連我們人類的活動也在微觀層面對時空有一定的影響，只是這種影響微乎其微，幾乎難以被我們察覺。
所以，時空與物質並非是孤立的存在。它們在宇宙的舞台上，相互影響，共同演繹出了我們所知的一切。物質給予了時空內容和活力，而時空為物質提供了存在和運動的空間。這樣的交互作用和依賴構成了我們宇宙的基石。
物質的存在與品質
物質，這樣一個普遍而又復雜的概念，伴隨著我們的日常生活。我們呼吸的空氣、我們觸摸的物體、我們身體的組成，都是物質。但當我們談及物質對宇宙結構的影響時，必須首先了解物質的核心內容之一：品質。
品質經常被誤解為物體的重量，但事實上，它們是兩個不同的概念。重量是物體受到的地球重力作用的力，而品質則是物體的「物品質」，它是恒定的，不會因為環境的變化而改變。比如說，一塊石頭在地球上與在月球上的重量是不同的，但其品質是一樣的。
物質的品質對宇宙的結構有著深遠的影響。正是因為物體具有品質，它們才會產生重力，進而影響其他物體。想象一下，如果宇宙中的所有物體都沒有品質，那麽星體之間將不會有任何交互作用，宇宙可能會成為一個靜止的、結構簡單的空間。
品質的影響力可以從一些數據中得以體現。例如，太陽的品質約為1.989 × 10^30千克，它占據了整個太陽系99.86%的品質。而這樣巨大的品質使得太陽對其他行星產生了巨大的重力，使它們被「捆綁」在太陽的周圍，形成了旋轉的軌域。如果太陽沒有如此巨大的品質，那麽我們地球可能早已飛離太陽，漂浮在冰冷的宇宙空間中。
物質的存在與品質不僅決定了星體間的互動關系，更在微觀尺度上決定了原子、分子之間的交互作用。如果沒有品質，那麽物質將不會存在於我們所知的形式。
廣義相對論與曲率
我們現在生活的宇宙，有著復雜多變的結構和現象。而要解釋宇宙中眾多令人震撼的奇跡，我們不能不提及一個人的名字：艾伯特·愛因史坦。他於1915年提出的廣義相對論，為我們理解宇宙的工作原理開啟了新的大門。
廣義相對論的核心思想是：物質告訴時空如何彎曲，時空告訴物質如何移動。這是一個充滿詩意的描述，但它真實地反映了物質與時空之間的相互關系。在此理論下，重力不再被視為物體之間的神秘力量，而是物體品質對時空產生的彎曲效應。
讓我們用一個經常被提及的比喻來幫助理解。想象一塊大的彈性布被拉緊，平鋪在一個平面上。如果我們在布上放置一個重的球體，布會因為球體的重量而凹陷。如果此時，我們再放置一個較小的球體在布上，這個小球體就會沿著彎曲的布滑向大球體。這種滑動，並不是因為兩個球體之間有什麽直接的力量吸引，而是因為大球體對布的彎曲造成了小球體的移動。同樣，星體（如地球、太陽）對宇宙的時空產生彎曲，而其他物體（如衛星、行星）則沿著這個彎曲的時空路徑移動。
廣義相對論的預測在多次實驗中得到了驗證。1919年的一次日食觀測就證明了愛因史坦的理論。當光線透過太陽附近的時空時，其路徑受到了太陽引起的時空彎曲而發生了偏折，這與愛因史坦的預測完全吻合。此後，許多其他實驗證明了廣義相對論的正確性。
有趣的是，廣義相對論還預測了一些非常奇特的現象，如時間膨脹和長度收縮。當物體以接近光速的速度移動時，它的時間會相對於靜止觀察者變慢，長度也會變短。盡管這些效應在日常生活中幾乎不可察覺，但在高速運動的粒子或星體中，這些效應是非常明顯的。
重力與時空的彎曲
在我們日常生活中，重力似乎是一個非常直觀的現象：把一個物體丟向空中，它總是會被拉回到地球上。但實際上，背後的物理原理卻復雜得多。正如我們在前一章提到的，廣義相對論為我們提供了一個理解重力的全新視角。
首先，讓我們回到那塊彈性布的比喻。在這個模型中，一個物體的品質導致布彎曲，並且越重的物體導致越大的彎曲。同樣地，宇宙中的物體，如星星和行星，由於其品質引起了時空的彎曲。當另一個物體，如衛星或小行星，靠近這個彎曲的時空時，它會沿著這個彎曲的路徑移動。這是我們看到的所謂的「重力」效應。
然而，一個令人震驚的事實是，即使沒有其他物體存在，時空仍然會因為一個物體的品質而彎曲。這意味著，物體本身的存在就已經改變了它周圍的時空結構。這個觀念對於我們的直觀感覺是相當不同的，因為我們習慣於認為只有當兩個物體交互作用時，才會產生力。但在廣義相對論的框架下，事情並非如此。
事實上，不僅品質會影響時空的彎曲。能量、動量和壓力也會影響時空的曲率。例如，一個非常高的能量光束盡管它的品質為零，但它也會彎曲時空。這也是愛因史坦著名的等式E=mc^2中的一個重要概念，即能量和品質在很多方面是等價的。
此外，彎曲的時空並不僅僅影響物體的運動。它還影響光的傳播。如1919年的日食觀測所顯示的，光線在穿過太陽附近的時空時會被偏轉。這也是因為光線總是沿著時空中的「最短路徑」傳播，而這些路徑在彎曲的時空中會發生變化。
黑洞：彎曲時空的極致
黑洞，這個詞匯常常讓人們感到神秘和震撼。它是宇宙中最奇特的天體之一，是時空彎曲到極致的產物。但是，黑洞究竟是什麽呢？它與我們之前討論的時空彎曲有什麽關系？
黑洞的存在是基於愛因史坦的廣義相對論。簡單地說，黑洞是由於恒星在其生命周期結束時發生塌縮產生的。當恒星的品質大於某個臨界值時，其重力會變得如此強大，以至於它會使自己向內部塌縮，直到它成為一個非常小、密度極高的點。這個點被稱為「奇異點」，在這裏，廣義相對論的方程式式會變得非常復雜，甚至出現無窮大的解。這也意味著，在這個點上，時空的彎曲達到了極限。
圍繞奇異點，存在一個虛構的邊界，我們稱之為「事件視界」。任何事物一旦跨越了這個邊界，就再也無法逃脫黑洞的強大重力。更有趣的是，即使是速度與光速相當的光線，也無法從黑洞中逃脫。因此，黑洞被稱為「黑洞」，因為它不發出任何光線。
但黑洞並不是完全黑暗的。1970年代，著名的物理學家史蒂芬·霍金提出了「霍金放射線」理論。他預測，由於量子力學的效應，黑洞會發出特定的放射線，並因此失去品質，直到最終完全蒸發掉。這一發現讓人們對黑洞有了更為深入的了解，並進一步探討了廣義相對論與量子力學之間的關系。
黑洞的存在不僅僅是理論上的預測。如今，天文學家已經觀測到了大量的黑洞證據。例如，2019年，天文學家首次捕捉到了黑洞的「影像」，這是一個位於M87星系中心的超大品質黑洞。
宇宙的擴張與宇宙的形狀
當我們從地球向外看去，觀察到的宇宙是在持續擴張的。這一發現最早由天文學家哈伯在上世紀20年代透過對遙遠星系的觀測中得出的。他發現，幾乎所有的星系都在從我們遠離，且離我們越遠的星系，其遠離的速度越快。這意味著整個宇宙是在擴張的，仿佛我們生活在一個正在膨脹的氣球上。
這種擴張並不是星系在宇宙的空間中移動，而是宇宙的空間本身在擴張。想象一下，將一些點放在氣球上，當你吹氣球時，點與點之間的距離會隨著氣球的膨脹而增加，盡管這些點自身並沒有移動。這就是宇宙擴張的一個簡單模型。
但是，這種擴張又是如何發生的呢？宇宙大霹靂理論給出了一個答案。大約138億年前，宇宙從一個極小、極熱的狀態開始膨脹。從那時開始，宇宙就一直在擴張，並且這種擴張速度仍在加快。
這一擴張趨勢的加速是1990年代的一個意外發現，天文學家發現遠處的超新星比預期的暗，這意味著它們距離我們更遠。後來的研究證實了宇宙擴張的加速，但背後的原因仍是個謎。
那麽，這種持續的擴張會導致怎樣的宇宙形狀呢？我們經常聽說的有關宇宙形狀的描述有三種：平坦、彎曲向內（像一個球）或彎曲向外（像一個馬鞍）。目前的觀測數據表明，我們的宇宙接近於平坦，但這並不意味著宇宙是二維的。平坦只是描述了大尺度上空間的幾何特性。也就是說，如果你在這個宇宙中畫一條直線，它會永遠保持直線，而不會因為空間的彎曲而偏離。
暗物質與暗能量：看不見的曲率之源
當我們提及宇宙中的物質，大部份人可能會想到星星、星系、行星等熟悉的事物。然而，令人震驚的是，這些我們能夠看到、觀測到的「普通物質」只占宇宙總物質的約5%。余下的95%是什麽呢？
首先，我們來看看暗物質。暗物質不像普通物質那樣與光發生作用，因此我們不能直接觀察到它。但是，我們確實能夠間接地觀測到暗物質的影響。例如，當我們測量星系的旋轉速度時，發現星系邊緣的恒星移動得比預期要快。這種情況只有當存在一種我們看不到的、有品質的物質時才可能發生。這就是暗物質。
盡管暗物質占據了宇宙物質的大約27%，但它的存在依然是一個謎。科學家們對暗物質進行了許多假設，比如它可能由所謂的超對稱粒子組成，但目前還沒有確鑿的證據。
而在宇宙物質的構成中，還有一個更加難以捉摸的部份——暗能量，它占據了宇宙物質的約68%。暗能量是一個推動宇宙加速擴張的神秘力量。1998年，當天文學家首次發現宇宙擴張正在加速時，他們深感震驚。為了解釋這一現象，科學家提出了暗能量的概念。暗能量與重力相反，它推動物體彼此遠離，導致宇宙的擴張加速。
多維宇宙理論
我們一直都在討論宇宙的曲率，但你是否曾想過，如果時空維度超過我們所知的四個（長度、寬度、高度和時間），會發生什麽？這背後的思考是多維宇宙理論的核心。
人類的認知是受限的。當我們試圖想象一個四維空間時，我們很難做到。因為在我們的日常經驗中，我們只與三維空間和時間互動。但是，物理學家和數學家們認為，可能存在更多的維度，我們只是還沒有能力去感知它們。
弦理論是支持多維宇宙觀點的一個主要理論，它提出了存在多達11個維度的可能性。在這些維度中，有些是大到可以感知的，而有些可能卷曲得如此之小，以至於幾乎不可能檢測到。
那麽，為什麽我們要考慮多維宇宙呢？其中一個原因是，多維度有可能為我們解釋某些現象，比如暗物質和暗能量。一些理論認為，暗物質和暗能量可能存在於其他維度，並對我們的宇宙產生影響。這種跨維度的互動可能是我們觀察到的物質主導的宇宙曲率背後的原因。
此外，如果存在更多的維度，那麽時空的曲率可能不僅僅是三維空間中的現象。我們可能需要重新思考和理解重力、光線的傳播以及物質如何互動的方式。
彎曲的宇宙與我們的生活
我們已經深入探討了宇宙的曲率、物質的影響以及時空的彎曲背後的科學原理，但你可能會問：「這些與我們的日常生活有何關系？」答案是：它們與我們的生活息息相關，並且影響著我們的許多日常體驗。
首先，我們可以從全球定位系統（GPS）開始談起。每當你使用手機導航或者檢視你當前的位置，你都在利用GPS。這些系統的運作依賴於地球上空的衛星。但有趣的是，由於相對論的影響，這些衛星的時鐘與地球上的時鐘有細微的差異。這是因為，根據廣義相對論，一個物體在一個強重力場中的時間流逝速度會比在一個弱重力場中慢。因此，如果沒有對這種時間差異進行校正，GPS系統將會出現偏差，可能導致位置錯誤。
再者，我們的日常生活中存在大量的技術和套用，它們的工作原理都是基於對宇宙結構和物理定律的理解。例如，我們使用的許多電子裝置，如手機和電腦，其工作都依賴於量子物理學的原理。而量子物理學與彎曲的宇宙、曲率、物質的交互作用等都有密切的關聯。
然而，最為引人入勝的可能是思考彎曲的宇宙對於我們個體和人類文明的意義。我們生活在一個浩瀚的宇宙中，而這個宇宙的結構和運作方式是如此復雜和精妙，這使得我們對生命、存在以及我們在這廣闊宇宙中的位置有了更深的思考。
而這種思考不僅僅局限於科學家。它涉及到文化、藝術、哲學和宗教。許多文化和宗教都在他們的信仰和故事中涵蓋了宇宙的起源和結構。同樣，藝術家和作家也在他們的作品中探索了宇宙的奧秘和我們在其中的位置。
