空间到底是不是物质？

我的朋友谢君峰博士曾经在80年代当面向诺贝尔物理学奖李政道提问，问道：空间是物质吗？李政道不假思索的回答“空间是物质以外的态”。在李政道来看，“空间”是与“物质”截然对立的两种系统，它们的属性是完全不同的。

李政道

当物质存在的时候，就会占据空间，但是物质与空间又是有密切依存联系的，这是因为如果世界上不存在任何物质，就不会有空间的存在——世界上不存在纯粹的的空间，我们也无法去描述这种东西。因为我们必须依照物质为参照物，才能去描述空间。就比如，我们首先知晓了温暖的存在，才能去描绘寒冷。这样看，物质是空间“成立”的基础。

传统对物质的理解

那么，什么是“物质”呢？在古代，很多哲学家、思想家都思考过这个问题。2300多年前，雅典的一个哲学家德谟克利特就指出：世界上所有的物质，它们都是由不可分的最小单元——原子所构成。

德谟克利特

在德谟克利特来看，物质其实就是一大堆原子的堆积。当然，德谟克利特的原子，并不是现代物理学意义上的原子，他说的仅仅是一种哲学上的纯粹思辨，并没有任何科学依据。我称之为“哲学原子”。德谟克利特认为，所有的物质都是原子这种建筑材料构成的，原子就是砖块，而这些砖块的性质都是一模一样的，只不过是因为排列、堆砌的形式不同，所以造成了宏观层面物质有不同的形态。

与德谟克利特生活在同时代的一位哲学家，叫做恩培多克勒，他就对德谟克利特的原子论提出了质疑。恩培多克勒也相信世界万物是由最小的单元原子构成，但是他认为，这些原子是有很多很多的种类的。是各种各样不同性质、种类的原子，它们一起构造完成了丰富多彩的物质世界。显而易见，恩培多克勒的原子论，比德谟克利特更胜一筹，更加接近现代物理学的描述。

但是，哲学家毕竟是哲学家，我之前说过，“哲学其实就是瞎猜”，恩培多克勒他依据自己所接触到的粗浅表象，搞出了玄学色彩的原子论。因为他说，原子是有种类的，那么有哪些种类呢？包括了火原子、空气原子、水原子、土原子。原来，当时的古希腊人不懂科学原理，也不会做真正的去做科学研究论证结论，他们依照自己的想象力，提出了最基础的物质就是火、空气、水、土四种元素。

恩培多克勒

现在当然知道这些说法都是错误的了。就是说，古希腊人对基础物质的理解原本就是错误的，恩培多克勒把错误的认知直接照抄过来，他却没有做出任何的实验，就拍脑门弄出“四种原子”学说。所以说，这些古希腊的哲学家也不过如此，瞎猜谁不会啊，四岁小朋友也会。除了毕达哥拉斯还能做具体的有意义的科学实践，其他绝大多数哲学家都是幻想家而已。他们最大的贡献就是启蒙一下，但是这些启蒙是原始的，我们如果继续把阴阳五行等玄学作为科学，其实和2300年前的古代人没有区别。你说，阴阳五行有什么科学依据，有科学实验的支持吗？没有。阴阳五行和古希腊的火、空气、水、土四种元素学说没有任何区别，都是想象力的产物。

近现代物理学对物质的探索

只有当大牛伽利略（1564年2月15日-1642年1月8日）出现之后，实验才成为科学的一个重要支柱。如果没有实验，就不配称之为科学。现代物理学家建造了庞大的电子对撞机，用高能射线去碰撞原子，发现原子下面还有复杂的结构。古希腊哲学家们口口相传2000多年的“原子不可再分”的学说，被科学实验击得粉碎。

依据现代物理学的认知，我们所知的物质的基本构成，就是费米子和玻色子。费米子和玻色子都有各自的族群，性质也都有差异。我们人类自己的身体，就是费米子组成的。我们玩的手机、电脑，也是费米子构成的。而像太阳那么巨大的恒星，同样是费米子组成的。

费米子和玻色子家族

费米子是物质的组成材料，我们日常在各种科普文章之中经常听到夸克这个词汇，夸克就是费米子。对了，夸克是由物理学家盖尔曼命名的，而盖尔曼是中国科学家杨振宁的粉丝，他一辈子最崇拜杨振宁。夸克有6种，什么上夸克、下夸克、粲夸克、奇夸克，你们没有必要一一知道它们具体的性质，记得这些就行：目前已知最小的物质就是夸克，弦理论中夸克就是弦，夸克组合起来，就是强子，到了强子这一层面，物质才能具有真正的物理意义，而质子、中子，就是强子家族的成员。

而玻色子是传递力的信介，是一种传递粒子。光有费米子，没有玻色子，物质就只能单个存在，没有什么意义。就比如一栋大楼，你没有混凝土，光靠几块砖头是盖不起来的。玻色子大致可以分为希格斯粒子、光子、胶子、Z玻色子、W玻色子，它们也是基本粒子，但不属于夸克，不是费米子。

神秘的暗物质

总之，只要是物质，就会涉及费米子和玻色子。我们听说过很多人在说暗物质，据说暗物质是与我们所知的“正常物质”的物理性质不同的。主流科学界认同暗物质是存在的，当然也有一小部分科学家认为暗物质不存在。我们先假设暗物质是存在，只要它们存在，就一定是费米子和玻色子组成的——即使与“正常物质”存在差异。我们考察费米子的性质，可以发现它们具有两种最基本的性质：

第一，费米子必须占据一定的空间，是有体积的。

第二，它们具有质量。

我们分析一下，占用空间，则意味着它们是物质，因为物质必须占据空间，不占据空间的物质根本不存在。就和我上面第一段说过的话一样，“当物质存在的时候，就会占据空间”。具有质量，则依据爱因斯坦的相对论理论，质量导致了万有引力，而万有引力会卷曲时空。这样，空间会被物质的质量所“控制”。可见，空间依赖物质而存在，空间被物质所“控制”。

很多人问我：为什么宇宙空间的膨胀的速率会超越光速？我告诉他们，这是因为空间不能传递信息。

那么，他们又会问，你凭什么说空间不能传递信息呢？

这是因为只有正常的物质才能传递信息，而传递信息，就要依靠玻色子。比如，我在上面说过，光子就是一种玻色子，一颗恒星发射出无数的光子，其中的一部分光子没有被宇宙粉尘吸收，没有被其他恒星遮盖，历经千辛万苦，终于来到了地球，被地球上的望远镜捕捉到，我们可以说我们接收到了来自遥远太空的一颗恒星的信息。

我们还听说过引力波这一热门词汇。有科学家就靠研究引力波拿到了诺贝尔奖。2017年的诺贝尔物理学奖得主是雷纳·韦斯（Rainer Weiss），巴里·巴里什（Barry Clark Barish）和基普·索恩（Kip Stephen Thorne）。他们是因为通过Ligo（激光干涉仪）首次探测到引力波，由此斩获了诺贝尔大奖，从而大名垂青史。

激光引力波干涉天文台

引力波是指时空弯曲中的涟漪，通过波的形式从辐射源向外传播，这种波以引力辐射的形式传输能量。两个黑洞或者中子星发生碰撞、吸收的过程中，都会释放出剧烈的引力波。既然引力波已经被证实是客观存在的——有科学实验为证——那么，会不会存在引力子这种传递引力作用的基本粒子呢？按照玻色子的定义，引力子是传播作用力的，而万有引力的四大基本力之一，则引力子也属于玻色子家族。不过，目前科学界还没有真正的证实引力子是存在的。我想，这个问题很有希望在本世纪内解决。

爱因斯坦

当真正证明引力子存在的时候，九泉之下的爱因斯坦博士一定会非常高兴。这是因为在爱因斯坦活着的年代，引力场效应被认为是几何效应，是物质的质量让四维的宇宙时空产生了扭曲，而时空的扭曲才诞生了物质相互之间“吸引”的引力现象。如果真的发现了引力子，是对物理学的巨大贡献。

我们归纳一下，凡是物质，它们通常就会具有这样的基本性质：

1，占据空间；

2，具有质量；

3，可以传递信息。

反过来说，凡是满足以上三个基本属性中的两个，它们就算得上是物质。

以上，是指的我们日常所能理解的一切物质，包括“正常的物质”加上暗物质。它们都是物质范畴，是与空间的定义截然相反。空间内没有类似玻色子的存在，不能传递信息。

这也是80年代李政道先生所认知中的“物质”的概念。

新物理学对物质给出的新概念

但物理学是要不断向前发展的，过去的概念未必就一定会保持下去。在新物理学概念里面，空间也可以是一种特殊的“物质”，但是这种物质的物理属性是非常特别的，因为它不具备以上的三个基本属性，不具备质量、不可以传递信息。我们对空间的物理性质，所了解还很少，但是我们知道空间不是真正的“空无一物”，而是有非常复杂的内部结构，有巨大的真空能。

学过物理学的朋友都知道卡西米效应。卡西米效应是有实验证明的，该实验证明了真空里面有“东西”，即真空能。当我们把两块不带电荷的导体板互相非常接近时，它们之间就产生了一种非常微弱，但是可以被测量出来的力，这就是卡西米效应。一般认为，真空态能量本身是不可被观测的，但它如果发生了变化就可以被观测到。