本书是《宇宙奥秘》（张邦固，科学出版社，2002）的姊妹篇。本书从人们心目中的空间是不是真的“空”谈起，系统而又深入浅出地描述了空间在物理学中的真实一面；包括空间的科学定义，空间的性质，空间的对称与守恒，空间与运动物质的关系，空间与引力的关系，空间中的小和大，等等；从而解释了人们心目中的空间到底是什么的问题。本书适合高中以上学历对物理学基础感兴趣的读者阅读。

    本书所讨论的空间是真实的物理空间，是定义为“物质及其运动之广延性”的空间。这也是人们在日常生活中十分熟悉的空间。它的基本性质是可以被测量和检验。

    在物理理论中，有统计物理的“相空间”、量子力学的“态矢空间”等；在数学中，有“复数空间”、“函数空间”等；在社会科学领域，也有一些思想空间。在佛教书籍中，有十八层地狱，有九十九重天。它们都是抽象的“空间”. 

    本书基本上不讨论这些“空间”. 

    空间能弯曲吗？

    空间会“变扁”吗？

    小空间小到什么程度？

    大空间有多大？

    都说，宇宙正在膨胀，这是真的吗？有什么根据？它将永远膨胀下去，还是将会停止，进而转入收缩？“标准模型”为什么不能回答这个根本问题？本书根据什么对此做出了明确的答复？为什么说，宇宙的“年龄”不是一百多亿年，而是九百多亿年？真的发生过宇宙大爆炸吗？是什么原因造成的？以后还会不会再次发生？

    空间奥秘本书将科学地讨论这些问题，以及其他一些有趣的科学问题。

    本书从人们日常生活中对空间的认识入手，介绍了空间的严格的科学定义，说明空间是物质的一种性质。讨论了空间均匀性、中心对称等对称性与动量守恒定律、角动量守恒定律等的关系。还讨论了物质空间与物质运动的关系，介绍了狭义相对论，说明，当物体速度接近光速时，其空间性质会发生比较大的变化。介绍了人们所观察到的最小空间的性质，以及描述微观世界的量子力学。还介绍了物质引力会弯曲物质的空间，及描述它的广义相对论。还详细地介绍了描述大空间的宇宙论；有关的观测实事，相关的“标准模型”，其困难；叙述了笔者的相关工作，观测事实的支持。最后，本书记述了作者对一些问题的思考。其中几个问题是有待科学继续发展来解决的。

    本书的姊妹篇《宇宙奥秘》于2002年6月出版。在当年暑假的一次学术会议上，笔者概要地介绍了其主要内容。与会的老师们反映热烈。初次见面的北京航空航天大学的梁家惠老师邀笔者去做讲座。10月，讲座进行时，同学们坐满了阶梯教室。两个学时的报告之后，相互交流了一个学时还意犹未尽。为了不影响旁人，交流移到走廊又持续了一个多小时。这期间，要求签名的同学有20多位。让笔者头一次体会了当“明星”的滋味。

    2003年3月笔者在南开大学又做了一次讲座，情况大同小异。这些情景促使笔者加快了本书的工作节奏。6月与科学出版社科普分社的领导和责任编辑谈妥。后来，因为某种原因，计划未能实行。社会对《宇宙奥秘》的反响继续看好。9月在吉林大学、10月在中国科学院高能物理研究所研究生班、11月在北京工业大学又做了3次讲座。不到一年，首印7000册书就没有了库存。这些情况均表明，读者，特别是青年学生对讲述基础科学知识的科普书籍是欢迎的。

    感谢清华大学出版社的编辑和领导在关键时刻伸出援助之手。感谢他们的远见卓识，感谢他们对科学的责任感，更感谢他们对提高中华民族的科学素质的热忱。

    让我们携起手来，为发展科学，为提高中华民族的科学素质而共同努力。

张邦固

2008年12月

I前言

第1章人们心目中的空间

1.1 空间的长宽高及弯曲程度1

1.2 空间弯曲检测的根据9

1.3 独立的空间11

第2章空间的科学定义

2.1 物质和质量12

2.2 运动和能量15

2.3 空间是物质的性质17

第3章对称性质与守恒定律

3.1 空间均匀与动量守恒19

3.2 空间中心对称与角动量守恒21

3.3 空间镜像对称与宇称守恒23

3.4 时间均匀与能量守恒25

第4章空间与物质运动的关系、狭义相对论

4.1 波、多普勒效应27

4.2 狭义相对论31

4.3 空间被“挤扁”了41

4.4 空间与时间相关43

4.5 光锥44

第5章空间的小、微观世界、量子力学

5.1 小尺度空间的探测方法、显微镜45

5.2 原子内的空旷、探针46

5.3 电磁场、黑体辐射48

5.4 特征光谱52

5.5 最小的空间、电子衍射55

5.6 测不准关系、波粒二象性58

第6章空间与引力的关系、广义相对论

6.1 世界线62

6.2 空间的拓扑性质、拓扑空间66

6.3 等效原理、广义相对论方程70

6.4 施瓦氏解71

6.5 实验验证72

6.6 施瓦氏黑洞74

第7章空间的大、宇观世界、宇宙论

7.1 天体距离的测量方法、最大空间77

7.2 星系退行84

7.3 宇宙微波背景辐射87

7.4 均匀膨胀系统的空间92

7.5 膨胀的宇宙、标准模型96

7.6 宇宙收缩、宇宙的“年龄”113

7.7 宇宙的熵、与宏观世界的不同127

7.8 宇宙质量中心的方位130

7.9 大宇宙134

第8章几 个 问 题

8.1 物理真实与理论141

8.2 弯曲闭合空间148

8.3 纠缠态、相互影响的超光速传播158

8.4 粒子在其波长内的空间分布162

8.5 场物质166

8.6 球状闪电168

名 词 术 语

后  记