據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道,天文學(xué)家正在接近一個(gè)古老問(wèn)題的答案。幾十年來(lái),宇宙學(xué)家一直想知道宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)是否是分形的,即無(wú)論在多大的尺度上,宇宙看起來(lái)都具有相似的形狀。在完成了對(duì)眾多星系的大規(guī)模調(diào)查后,科學(xué)家們終于找到了答案:宇宙并不是分形的,但在某種程度上,卻又像是分形的。
20世紀(jì)初,埃德溫·哈勃率先發(fā)現(xiàn)了我們與仙女座星系(離銀河系最近的星系)之間的巨大距離,天文學(xué)家們也開(kāi)始意識(shí)到,宇宙的浩瀚幾乎是無(wú)法想象的。另一方面,天文學(xué)家也觀測(cè)到了散落的星系,遠(yuǎn)近都有。于是,一個(gè)問(wèn)題很自然地提了出來(lái):這些星系的排列是有規(guī)律的,還是完全隨機(jī)的?
起初,這一切看起來(lái)是很隨機(jī)的。天文學(xué)家看到了巨大的星系團(tuán),每個(gè)星系團(tuán)包含上千個(gè)甚至更多的星系;也有一些小得多的星系群,有的星系則獨(dú)自在宇宙中游蕩。從這些觀測(cè)結(jié)果來(lái)看,宇宙似乎并沒(méi)有什么普遍性的模式。
天文學(xué)家對(duì)此并不介意。長(zhǎng)期以來(lái),他們一直假設(shè)存在一種名為“宇宙論原則”(cosmological principle)的概念,即宇宙基本上是均質(zhì)(各處大致相同)和各向同性的(無(wú)論你往哪個(gè)方向看都大致相同)。一系列隨機(jī)的星系和星系團(tuán)正好符合這個(gè)原則。
但在20世紀(jì)70年代末,星系調(diào)查更加深入,開(kāi)始揭示星系排列中呈現(xiàn)的模式。除了星系團(tuán),還有很長(zhǎng)、很細(xì)的大尺度纖維結(jié)構(gòu);在宇宙大尺度構(gòu)造中,還有所謂的“長(zhǎng)城”,又稱為“巨墻”,星系和星系團(tuán)的分布并不均勻,而是連結(jié)成條狀結(jié)構(gòu),有的甚至長(zhǎng)達(dá)5億光年,寬3億光年,并且有1500萬(wàn)光年那么厚;然后是“空洞”,即纖維狀結(jié)構(gòu)之間的空間,只包含很少或完全不包含任何星系。天文學(xué)家將所有這一切稱為“宇宙網(wǎng)”。這種模式違反了宇宙論原則,因?yàn)檫@意味著宇宙的大片區(qū)域看起來(lái)與其他大片區(qū)域并不一致。
因此,關(guān)于宇宙大尺度構(gòu)造的模式,也許還有更多的故事。
宇宙中的宇宙?
一個(gè)有趣的觀點(diǎn)來(lái)自數(shù)學(xué)家、分形之父本華·曼德博(Benoit Mandelbrot)。分形很難定義,但我們憑直覺(jué)就能理解:它們是重復(fù)的幾何圖案,無(wú)論縮放多少倍,其每個(gè)部分都(至少近似地)是整體縮放后的形狀。本華·曼德博并沒(méi)有發(fā)明“分形”這個(gè)概念——數(shù)學(xué)家們對(duì)自相似模式的研究已經(jīng)有很多年了——但他創(chuàng)造了“分形”(fractal)這個(gè)詞,并引領(lǐng)了對(duì)這一概念的現(xiàn)代研究。
分形隨處可見(jiàn)。把雪花的一個(gè)角放大,你會(huì)看到微型雪花;放大樹(shù)枝,你會(huì)看到微型的樹(shù)枝;放大海岸線,你會(huì)看到微縮的海岸線。在自然界中,分形在我們的周?chē)鷰缀鯚o(wú)處不在,而分形的數(shù)學(xué)使我們能夠理解宇宙中各種各樣的自相似結(jié)構(gòu)。
本華·曼德博猜測(cè),如果分形無(wú)處不在,那么也許整個(gè)宇宙就是一個(gè)分形。也許我們看到的星系排列模式是最大分形可能的開(kāi)端。也許,如果我們對(duì)宇宙結(jié)構(gòu)的調(diào)查足夠精密,就會(huì)發(fā)現(xiàn)其中所隱藏的結(jié)構(gòu)——宇宙網(wǎng)中的宇宙網(wǎng),填滿整個(gè)宇宙直到浩瀚界限。
均質(zhì)性的宇宙尺度?
隨著天文學(xué)家對(duì)宇宙網(wǎng)的了解越來(lái)越多,他們對(duì)大爆炸的歷史的了解也更加深入,并想出了各種方法來(lái)解釋宇宙中存在的大尺度模式。這些理論預(yù)測(cè)稱,宇宙仍然是均質(zhì)的,只不過(guò)是在比天文學(xué)家之前觀察到的大得多的尺度上。
分形宇宙的最終考驗(yàn)直到本世紀(jì)才會(huì)到來(lái),屆時(shí)真正規(guī)模龐大的調(diào)查,如斯隆數(shù)字巡天(SDSS),將能夠繪制數(shù)百萬(wàn)個(gè)星系的位置,繪制出一幅宇宙網(wǎng)的圖像,其規(guī)模前所未見(jiàn)。
如果分形宇宙的觀點(diǎn)是正確的,那么可以想見(jiàn),我們所處的局部宇宙網(wǎng)絡(luò)將嵌在一個(gè)更大的宇宙網(wǎng)絡(luò)中。如果這一觀點(diǎn)是錯(cuò)的,那么在某個(gè)臨界點(diǎn)上,宇宙網(wǎng)將不再是一個(gè)宇宙網(wǎng),而是一個(gè)隨機(jī)的,足夠大的“宇宙塊”,看起來(lái)(在統(tǒng)計(jì)上)應(yīng)該就像任何其他隨機(jī)的塊。結(jié)果就是均質(zhì)性,只不過(guò)是在一個(gè)令人震驚的尺度上。你需要穿過(guò)大約3億光年,才會(huì)發(fā)現(xiàn)宇宙趨于均質(zhì)。
宇宙絕對(duì)不是分形的,但宇宙網(wǎng)的某些部分仍然具有有趣的分形性質(zhì)。例如,被稱為“暈”的暗物質(zhì)團(tuán)承載著星系及星系團(tuán),形成嵌套結(jié)構(gòu)和子結(jié)構(gòu);暗物質(zhì)暈也包含著次級(jí)和次次級(jí)的分支結(jié)構(gòu)。
宇宙中的空洞并非完全是空無(wú)一物的。它們確實(shí)包含少數(shù)黯淡的矮星系,而它們就排列在一個(gè)精細(xì)、稀薄的宇宙網(wǎng)中。在計(jì)算機(jī)模擬中,這種結(jié)構(gòu)中的亞空洞內(nèi)部也包含著其自身的宇宙網(wǎng)。
因此,盡管宇宙作為一個(gè)整體不是分形的,本華·曼德博的觀點(diǎn)也站不住腳,但我們?nèi)匀豢梢栽谟钪嬷械娜魏蔚胤接^察到分形。(任天)
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