宇宙星系的排列是有規(guī)律的， 還是完全隨機(jī)的

據(jù)國外媒體報(bào)道，天文學(xué)家正在接近一個(gè)古老問題的答案。幾十年來，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，即無論在多大的尺度上，宇宙看起來都具有相似的形狀。在完成了對眾多星系的大規(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)家們也開始意識到，宇宙的浩瀚幾乎是無法想象的。另一方面，天文學(xué)家也觀測到了散落的星系，遠(yuǎn)近都有。于是，一個(gè)問題很自然地提了出來：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。從這些觀測結(jié)果來看，宇宙似乎并沒有什么普遍性的模式。

天文學(xué)家對此并不介意。長期以來，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，開始揭示星系排列中呈現(xiàn)的模式。除了星系團(tuán)，還有很長、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“長城”，又稱為“巨墻”，星系和星系團(tuán)的分布并不均勻，而是連接成條狀結(jié)構(gòu)，有的甚至長達(dá)5億光年，寬3億光年，并且有1 500萬光年那么厚;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，但我們憑直覺就能理解：它們是重復(fù)的幾何圖案，無論縮放多少倍，其每個(gè)部分都（至少近似地）是整體縮放后的形狀。本華·曼德博并沒有發(fā)明“分形”這個(gè)概念——數(shù)學(xué)家們對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)了對這一概念的現(xiàn)代研究。

分形隨處可見。把雪花的一個(gè)角放大，你會看到微型雪花;放大樹枝，你會看到微型的樹枝;放大海岸線，你會看到微縮的海岸線。在自然界中，分形在我們的周圍幾乎無處不在，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，如果分形無處不在，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端。也許，如果我們對宇宙結(jié)構(gòu)的調(diào)查足夠精密，就會發(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)家對宇宙網(wǎng)的了解越來越多，他們對大爆炸的歷史的了解也更加深入，并想出了各種方法來解釋宇宙中存在的大尺度模式。這些理論預(yù)測稱，宇宙仍然是均質(zhì)的，只不過是在比天文學(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)才會到來，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。

如果分形宇宙的觀點(diǎn)是正確的，那么可以想見，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（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，只不過是在一個(gè)令人震驚的尺度上。你需要穿過大約3億光年，才會發(fā)現(xiàn)宇宙趨于均質(zhì)。

宇宙絕對不是分形的，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)暈也包含著次級和次次級的分支結(jié)構(gòu)。

宇宙中的空洞并非完全是空無一物的。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。