巨型天體也許來自另一個宇宙

在充滿宇宙的星系網(wǎng)中有一個巨大的空洞;一根由類星體構(gòu)成的巨弦可以跨越數(shù)百億光年;一個由劇烈爆發(fā)構(gòu)成的環(huán)形占據(jù)了可見宇宙的6%……隨著觀測宇宙的能力日益強大，天文學家開始識別出比此前已知的更為巨大的結(jié)構(gòu)?？墒牵鼈冎腥魏我粋€都不應該存在于那里。

自從哥白尼提出了他的革命思想，即地球在群星之間并沒有什么特別的地方，天文學家就把它視為根本。宇宙學原理則更進了一步，認為宇宙中沒有任何地方是特殊的。當然，在局部上可以存在不同等級的系統(tǒng)，例如太陽系、星系和星系團，但當你進入更大的尺度，宇宙就應該表現(xiàn)出均勻性，且各向同性，沒有巨大的星系壁，沒有巨大的空洞，也沒有巨大的結(jié)構(gòu)。

一個由美國和匈牙利科學家組成的小組發(fā)現(xiàn)了由9個伽馬射線暴組成的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，跨度達50億光年。伽馬射線暴的分布如上國藍點所示。

這就難怪這些接二連三的最新發(fā)現(xiàn)讓宇宙學家火冒三丈了。然而，對這個問題的解答也同樣充滿了爭議。有人提出，這些大質(zhì)量的結(jié)構(gòu)是另一個維度投影出的幻象，是存在我們自身之外的現(xiàn)實的第一個誘人證據(jù)。如果是這樣，那么這些龐然大物就并非是存在于我們宇宙中的物理實體，宇宙學原理依然適用。

在現(xiàn)代宇宙學中有一個魔咒，它就是宇宙中的“受青睞區(qū)域”。自文藝復興以來，所有的科學想法都一直在反對這個概念?！笆芮嗖A區(qū)域”會使得用愛因斯坦的廣義相對論來研究引力在宇宙演化中的作用變得更加困難。如果你假設宇宙幾乎是均勻的，那么求解愛因斯坦方程就會容易得多。不過目前，宇宙學原理僅僅是一個假設。沒有具體的證據(jù)能佐證它是正確的，反倒是有越來越多的證據(jù)來否定它。

斯隆數(shù)字巡天繪制的宇宙三維圖

以之前提到的宇宙巨洞為例，它的直徑達到了近20億光年。相比于宇宙中星系的平均密度，這個巨洞中的星系數(shù)量少了約10000個。根據(jù)最新的觀測數(shù)據(jù)，天文學家認為宇宙學原理只有在約 10 億光年的尺度及以上才成立。此時，對于任意給定的體積，其中物質(zhì)的平均總質(zhì)量才基本相等。然而，存在一個比這一尺度還要大一倍的巨洞著實讓整個畫面顯得突兀。10 多年前，天文學家在宇宙微波背景中發(fā)現(xiàn)了一個巨大的低溫斑塊，這個超巨洞興許可以解釋這個現(xiàn)象。

然而，超巨洞其實還不算大。早在2012年，就有天文學家團隊宣布發(fā)現(xiàn)了跨度超過40億光年的巨大結(jié)構(gòu)，其大小是超巨洞的2倍。那會是什么東西？顯然，它肯定很不尋常。然而，這一次它并不是太空中一片空無一物的區(qū)域，反而特別擁擠，被稱為巨類星體群。它包含有73個類星體——非常遙遠的星系的明亮活躍中心區(qū)。20世紀80年代初，天文學家就已經(jīng)知道，類星體有聚集在一起的趨勢，但在此之前還從來沒有發(fā)現(xiàn)它們會在這么大的尺度上成群。

2015年年初，另一個天文學家團隊發(fā)現(xiàn)了一個巨大的伽馬射線暴群。伽馬射線暴是發(fā)生在遙遠星系中的短暫高能爆發(fā)現(xiàn)象。發(fā)生這些伽馬射線暴的星系看上去似乎形成了一個直徑達50億光年的環(huán)形，占據(jù)了整個可觀測宇宙的6%。天文學家并沒有想到會發(fā)現(xiàn)這么大的結(jié)構(gòu)。它的大小是宇宙學原理成立尺度的5倍。

宇宙學原理是我們認識宇宙的根本基礎，因此，這些有違宇宙學原理的現(xiàn)象深深地讓天文學家和宇宙學家感到不安，即使這些現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)者也是如此。例如，由伽馬射線暴組成的環(huán)形，有一種可能性是它們被其他星系包圍著，由于這些星系過暗而沒有被看到。這就像在一個黑暗的房間中均勻地放置著燈泡，當你走進房間時，僅有幾只被點亮了，那么你很可能會就燈泡的分布得出錯誤的結(jié)論。這并不一定會破壞宇宙學原理。

調(diào)和矛盾

巨大的類星體群也引發(fā)了激烈的爭論。有天文學家認為，它并非是一個真正的結(jié)構(gòu)。2013年發(fā)表的一篇論文對發(fā)現(xiàn)這一結(jié)構(gòu)的算法和數(shù)據(jù)進行了分析，計算了隨機分布的類星體呈現(xiàn)出結(jié)構(gòu)的概率。結(jié)果顯示，這個概率相當高。不過，現(xiàn)在就下結(jié)論還太早。該類星體群的發(fā)現(xiàn)者認為，這一反對意見“保守且不現(xiàn)實”。他們認為，與模擬隨機分布不同，所有的反對者應注意到一個事實，即這些類星體都擁擠在約3億光年的尺度之內(nèi)。

和類星體群一樣，超巨洞也被認為可以與宇宙學原理相調(diào)和。宇宙學原理并沒有說不允許任何地方出現(xiàn)漲落，而是說宇宙在大尺度上的平均意義下是均勻的?？傊l(fā)現(xiàn)類似超巨洞這樣的結(jié)構(gòu)的概率并非為零，但數(shù)量不會很多。

宇宙微波背景輻射（CMB）

然而，也有理論物理學家認為，無視這些宇宙巨型結(jié)構(gòu)的做法也許是錯誤的。事實上，在宇宙學原理依然成立的情況下，它們?nèi)阅艽嬖?。我們要做的就是認為它們實際上并不存在。相反，它們其實是其他維度侵入我們宇宙的首批證據(jù)，是在我們均勻光滑的宇宙背景上留下的痕跡。

這似乎是一個驚人的大膽建議，建立在堅實的理論基礎上。一方面，超越四維時空的額外維度并非是什么新鮮事。幾十年來，許多理論物理學家認為，額外維度的存在是我們調(diào)和愛因斯坦的廣義相對論和20世紀物理學另一個成就——量子理論——的最大希望。前者描繪的是大尺度上的現(xiàn)象，后者描述的是微觀世界。這兩個看似完全不同的概念的聯(lián)姻會催生出一個可以描述宇宙各個尺度的理論，它常被稱為“終極理論”或“萬物理論”。

一個熱門的候選者是M理論，它是弦理論的一個擴展。M理論認為，我們生活在一個十一維的宇宙中，其他的7個維度緊緊地蜷縮在一起而無法被觀測到。這是一個優(yōu)雅且在數(shù)學上吸引人的框架，有一批有影響的支持者。但它也有一個重大缺陷：缺乏可以用來檢驗的堅實預言。弦理論的另一個延伸——膜理論，也許可以做到這一點，并就此解決宇宙學原理的困境。

膜理論的核心思想是，我們所知的宇宙是一張飄浮在更高維時空中的四維膜，在這個更高維的時空中還存在其他的膜。這樣的想法可以與現(xiàn)有的引力理論相一致。事實上，即使是有無窮多個額外維度，你仍然可以回到廣義相對論。

雖然其他的膜也占據(jù)著額外維度，但它們無法被直接探測到。該理論認為，我們也許只能探測到當鄰近的膜與我們所在的膜重疊時出現(xiàn)的效應。

多重宇宙想象圖

宇宙間的重疊

那么，這對解決宇宙學原理的問題有什么幫助呢？為了測量遙遠天體的距離，天文學家利用一種效應，被稱為紅移。天文學家可以使用分光計分解天體發(fā)出的光，分析其光譜。由于宇宙的膨脹，正在遠離我們的任何天體發(fā)出的光都會被拉長，其譜線就會向光譜的紅端移動。距離我們越遠的天體，其退行的速度就越快，其紅移的量就越大。如果天文學家看到許多天體都具有相同的紅移，會將此解釋成某種形式的結(jié)構(gòu)，就像伽馬射線暴環(huán)或者是巨類星體群。當有另一個膜與我們自己的重疊時，一個膜中的光子會對另一個膜中的帶電粒子施加一個作用力，會改變氫原子能級間的距離。當電子在這些能級之間躍遷時，它們會發(fā)射或吸收光子，產(chǎn)生我們用來測量距離的譜線，而這些譜線可能是扭曲的。

如果膜的重疊使得能級間距縮小，發(fā)射出的光子的波長就會變長，而這個紅移量和宇宙的膨脹沒有任何關系。如果我們觀測這一區(qū)域的紅移，卻沒有考慮這一點，依然按照傳統(tǒng)的模式分析測量到的紅移，就會系統(tǒng)性地高估膜重疊區(qū)域中天體的距離。

如果這個模型是正確的，那么膜重疊區(qū)域會出現(xiàn)有些天體聚集在某一個紅移值上，而在其他紅移值上則沒有天體。

這就導致即使是均勻的宇宙，看上去也會包含大質(zhì)量結(jié)構(gòu)和超巨洞的錯覺。這一下子就解釋了巨類星體群、伽馬射線暴環(huán)和超巨洞的起源，這些結(jié)構(gòu)和潛在的膜重疊相符。

期待證據(jù)

當然，這絕非是一目了然的事情。為了達到最終的目標，這個理論中包含了許多的假設，其中一些可能有點太過理想。另外，此前也有人對膜理論中的一些假設提出了嚴厲的批評，其中不乏弦理論家。盡管如此，這個模型肯定是可以檢驗的。

通過觀測天空中的高密度區(qū)和與之毗鄰的低密度區(qū)，可以對這一理論進行檢驗。如果在所有情況下紅移測量結(jié)果間的差異都是一樣的，那么它很可能表明，我們的膜與另一個膜存在重疊。

斯隆數(shù)字巡天已經(jīng)完成了有史以來最詳細的宇宙三維圖，有科學家正在計劃研究其中的紅移數(shù)據(jù)庫，來尋找支持這一理論的證據(jù)。這將會是證明我們的宇宙并不唯一的重要證據(jù)，它不僅能解釋天文觀測中一些令人困惑的結(jié)果，還能為抽象的弦理論打下實驗的基礎。

不過，把宇宙中這些最大的結(jié)構(gòu)化整為零地解釋的方法可能會招來新的麻煩。例如，發(fā)現(xiàn)超出我們自身所在的膜會對人類自身在宇宙中本已脆弱的地位造成嚴重的挑戰(zhàn)，并且使得宇宙均勻性的概念變得沒有意義。畢竟，在一個包含有相互作用膜的巨大多重宇宙中，宇宙學原理很有可能將不再成立。

延伸閱讀

宇宙微波背景低溫斑塊

宇宙微波背景是大爆炸遺留下來的輻射，保留著宇宙年齡僅為約40萬年時的樣子。它上面獨特的印跡代表著宇宙嬰兒時期溫度稍高和稍低的區(qū)域。根據(jù)我們對宇宙這一時期的認識，這些溫度起伏應該都很小，而且彼此之間差異不大。然而，在2004年，科學家使用威爾金森微波各向異性探測器在宇宙微波背景中發(fā)現(xiàn)了低溫斑塊，其溫度要比其他區(qū)域低得多。一開始，他們認為這可能是測量結(jié)果的誤差。此后，歐洲空間局的普朗克衛(wèi)星也觀測到了這個低溫斑塊。

有理論認為，在這個低溫斑塊的方向上存在一個超巨洞。為了抵達地球，宇宙微波背景輻射的光子必須穿過這個超巨洞。由于宇宙在加速膨脹，當光子從這個超巨洞穿出時，它會發(fā)現(xiàn)周圍的物質(zhì)密度比它剛進入這個超巨洞時低，其經(jīng)歷的引力勢減小，它們的能量也相應地減小。當利用光子的能量來計算一個源的溫度時，這種減小使我們錯誤地認為其原本所在的區(qū)域溫度比其他地方低。

多重宇宙中的生命

確認多重宇宙的存在可能會引出一些關于生命起源和我們在宇宙中位置的有趣問題。據(jù)我們目前的認識，我們宇宙的物理學定律精妙得讓人起疑——物理常數(shù)中的任何一個若出現(xiàn)微小的變化就會使得液態(tài)水變得非常罕見，導致復雜的有機化學反應無法進行，或使得物質(zhì)無法聚集到一起?？茖W界常用“弱人擇原理”解釋這一問題。簡單地說，如果宇宙定律不具有我們所觀測到的特有行為，那么我們就不會存在進而觀測到它們，因此也就不會如此驚訝了。與此同時，各種“強人擇原理”更提出了一些進一步假設，出于某種原因，宇宙必然會演化出對生命有利的參數(shù)特性。借用一個量子理論的想法，這甚至可能是因為存在有自我意識的觀測者是宇宙存在的一個前提。

如果我們所在的這個宇宙僅僅是無窮多個多重宇宙——尤其是永恒暴脹或多重世界下的多重宇宙——中的一個，就可以顯著地改變這場辯論中的論據(jù)。一個宇宙擁有和我們相同的參數(shù)的概率從極不可能到確定無疑不等，而與此同時，出現(xiàn)任何其他參數(shù)組合的概率也是如此。那么，在這些其他的宇宙中也存在生命嗎？一些科學家認為，其可能性也許遠比此前認為的更高。采用計算機模擬來研究有著不同基本常數(shù)的宇宙的演化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定的物質(zhì)形式和碳化學反應在許多極端的情況下仍能出現(xiàn)。