人類(lèi)對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)，是從太陽(yáng),、月亮和頭頂上璀璨的星空開(kāi)始的,。

說(shuō)起這些星星,，雖共領(lǐng)著“星”的名字,，其實(shí)成員的身份是頗為復(fù)雜的。其中有像金星一樣的行星,，有像天狼星一樣的恒星,，還有動(dòng)輒包含數(shù)百億顆恒星的星系——僅僅因?yàn)榫嚯x的遙遠(yuǎn)，它們才看起來(lái)像一顆星,。

這些星星距離我們雖然遠(yuǎn)近有別,，但由于人類(lèi)眼睛的分辨率有限，它們看起來(lái)全好像分布在一個(gè)巨大的天球面上,。我們看到的,，實(shí)際上是它們?cè)诙S球面上的投影。

它們?cè)谔炜罩械姆植加泻我?guī)律,？自古以來(lái),，就是人們談?wù)摰脑?huà)題。古人不懂星星有行星,、恒星和星系之分,，有時(shí)把不同性質(zhì)的天體硬扯在一起，編造出星座的神話(huà),。這也算是他們尋找星星分布規(guī)律的初步嘗試吧,，但現(xiàn)在我們已經(jīng)知道，這些“規(guī)律”是錯(cuò)誤的,。

宇宙學(xué)原理：宇宙是均勻的

自哥白尼提出太陽(yáng)中心說(shuō)以來(lái),，人們借助越來(lái)越強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，天體的分布在一定的尺度上遵循著等級(jí)制度：衛(wèi)星繞著行星轉(zhuǎn),；行星繞著恒星轉(zhuǎn),；恒星又組成星系,，繞著中心的黑洞轉(zhuǎn)；星系繼續(xù)組成星系團(tuán)……按我們直觀(guān)的想法,，這種類(lèi)似“一群小領(lǐng)導(dǎo)隸屬于一個(gè)大領(lǐng)導(dǎo)”的等級(jí)結(jié)構(gòu),，應(yīng)該無(wú)窮地延續(xù)下去。

然而現(xiàn)代宇宙學(xué)在創(chuàng)始之初,，就提出一條被稱(chēng)為“宇宙學(xué)原理”的基本假設(shè),。這個(gè)假設(shè)認(rèn)為：宇宙物質(zhì)在大尺度上應(yīng)該是均勻分布的。之所以做這樣的假設(shè),，是因?yàn)檫@樣的宇宙是最簡(jiǎn)單的,。

但這個(gè)原理豈不跟前面提到的星系等級(jí)結(jié)構(gòu)矛盾？要回答這個(gè)問(wèn)題,，需要我們搞清楚何謂“大尺度”,。

假如你在一個(gè)小房間里隨機(jī)地撒下一碗豌豆。在你看來(lái),，它們均勻地分布在地上,。但此時(shí)如果從某顆豌豆里探出一條蟲(chóng)子，它會(huì)怎么看呢,？

它的目力有限,，僅能看到眼皮子底下的一粒豆子，當(dāng)它抬起頭來(lái),，只感覺(jué)到周?chē)斩炊吹目臻g,。它要是能說(shuō)話(huà)，定會(huì)告訴你：“全宇宙的物質(zhì)全集中在我所在的豆子上,，其他地方全是虛空,。”

為什么你和蟲(chóng)子的意見(jiàn)會(huì)如此不同,？顯然,，這是因?yàn)槟隳軓娜挚凑麄€(gè)房間，而蟲(chóng)子只能看到它眼皮底下一粒豆子大小的區(qū)域,?；蛘哌@么說(shuō)：你們的觀(guān)察尺度不一樣，你是從大尺度看,，蟲(chóng)子是從小尺度看,；從小尺度看，“宇宙”物質(zhì)的分布是不均勻的,，但從大尺度看,，卻是均勻的。

所以,，宇宙是否均勻,，從不同的尺度看,，得出的結(jié)論會(huì)不一樣。宇宙學(xué)原理并不否認(rèn),，從小尺度看,，星系分布具有不均勻的等級(jí)結(jié)構(gòu)，但它相信,，存在一個(gè)尺度,，從這一尺度上看，等級(jí)結(jié)構(gòu)終止了,，宇宙是均勻的,。

描繪宇宙的3D地圖

在過(guò)去的研究中，由于不知道星系的距離,，人們習(xí)慣將觀(guān)測(cè)到的星系畫(huà)在二維的天球坐標(biāo)系中,。在這樣的圖中，它們的分布看起來(lái)非常均勻，這似乎印證了宇宙學(xué)原理。

但等到天文學(xué)家學(xué)會(huì)了如何測(cè)量星系的距離之后，情況變得不確定起來(lái)。

自哈勃做出那個(gè)劃時(shí)代的發(fā)現(xiàn)之后,，我們知道，遠(yuǎn)方的星系都在遠(yuǎn)離我們,。它們退行的速度與距離成正比,，此即哈勃定律V=HD（V為退行速度，D為距離,，H為哈勃常數(shù)）,。而我們還知道，當(dāng)天體遠(yuǎn)離我們時(shí),，其發(fā)出的光譜要朝著波長(zhǎng)長(zhǎng)的一端移動(dòng),，此即“紅移”。根據(jù)紅移的量,，就能算出天體離開(kāi)我們的速度,，然后應(yīng)用哈勃定律，又能算出它相對(duì)我們的距離,。

通過(guò)這種辦法,，天文學(xué)家測(cè)出一個(gè)個(gè)星系的三維坐標(biāo)，并繪制成宇宙的三維地圖,。其中兩個(gè)維度代表星系在天球面上的位置,，第三個(gè)維度則代表它在縱深方向的距離。

顯然,，宇宙的三維地圖比二維地圖更能真實(shí)地反映宇宙物質(zhì)的分布,，可以讓天文學(xué)家在更嚴(yán)格的意義上檢驗(yàn)宇宙學(xué)原理,。

但是，用這種辦法繪制成的宇宙三維地圖大出乎他們的意料,。首先,，映入我們眼簾的是一些空洞。所謂“空洞”就是宇宙密度（單位體積內(nèi)包含的星系數(shù)目）遠(yuǎn)小于平均密度的空間,。它們的尺度一般在3千萬(wàn)光年,。

其次，是宇宙密度大于或等于平均密度的區(qū)域,，宇宙學(xué)家稱(chēng)之為“長(zhǎng)城”,。大多數(shù)星系就集中在這些蜿蜒曲折的“長(zhǎng)城”上。每座“長(zhǎng)城”在各處厚度不一,，能延伸數(shù)億光年以上,。在它們彼此的交匯處，星系分布更加密集,，稱(chēng)為“結(jié)”,。

誰(shuí)把宇宙雕琢成這個(gè)樣子？

這種大尺度結(jié)構(gòu)是如何形成的,？是先有這種形狀的“腳手架”,，然后在“腳手架”中一步一步形成恒星、星系,，還是反過(guò)來(lái),，先形成恒星、星系,，星系再聚成這種大尺度結(jié)構(gòu)的,？這些問(wèn)題一時(shí)困擾著宇宙學(xué)家。

按大爆炸理論,，宇宙早期溫度極高,，密度極大，物質(zhì)分布高度均勻,。如此看來(lái),，現(xiàn)在所展現(xiàn)的類(lèi)似中空泡沫塑料的結(jié)構(gòu)，必定是在引力推動(dòng)之下演化來(lái)的,。但是怎么演化來(lái)的呢,？

1970年代，人們已經(jīng)意識(shí)到,，宇宙中可見(jiàn)物質(zhì)所占的比例很小,，有超過(guò)84%都是不可見(jiàn)的暗物質(zhì)。這意味著,，在塑造宇宙的活動(dòng)中,，暗物質(zhì)才是主角,。

盡管天文學(xué)家至今對(duì)暗物質(zhì)所知甚少，但他們僅憑對(duì)它的有限認(rèn)識(shí),，在1980年代對(duì)宇宙的演化進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬,。結(jié)果顯示，在暗物質(zhì)作用下,，率先形成的是星系,，然后是星系團(tuán)，再后來(lái),，含有“空洞”和“長(zhǎng)城”的整個(gè)泡沫結(jié)構(gòu)也出來(lái)了,。模擬得到的宇宙大尺度結(jié)構(gòu)，與觀(guān)測(cè)到的十分相似,。

在模擬中,，還可清楚地看到，在這場(chǎng)演化中,，暗物質(zhì)起到“腳手架”的作用,。在恒星和星系還沒(méi)有形成之前，暗物質(zhì)憑自身引力把一些氣體拉拽到身邊,，然后這些氣體在引力作用下坍縮,，坍縮到一定程度點(diǎn)燃了內(nèi)部的核聚變，于是形成了恒星,。千萬(wàn)顆恒星又進(jìn)一步組成了星系,。

更大尺度的結(jié)構(gòu)

很明顯，這種大尺度結(jié)構(gòu)的存在,，說(shuō)明宇宙物質(zhì)至少在星系這個(gè)尺度上,，分布不是均勻的。

不過(guò),，宇宙學(xué)家終究是不肯輕易認(rèn)錯(cuò)的。他們說(shuō)：“宇宙看起來(lái)不均勻,，是因?yàn)槲覀冞x擇的觀(guān)察尺度還不夠大,，假如從更大的尺度來(lái)觀(guān)察，說(shuō)不定就均勻了,?！薄阋窍胝f(shuō)服前面那只趴在豌豆上的蟲(chóng)子，想必也會(huì)這么說(shuō),。

比星系更大的尺度,，當(dāng)然是星系團(tuán)或超星系團(tuán)。不過(guò),，對(duì)于遙遠(yuǎn)的天體,，要判斷是星系還是星系團(tuán),，實(shí)在太困難了，天文學(xué)家采用了一個(gè)偷懶的辦法,。他們以宇宙三維地圖上任意一個(gè)星系為中心,，畫(huà)一個(gè)半徑為R的球，數(shù)出球內(nèi)所包含的星系數(shù),。然后跟假設(shè)星系均勻分布時(shí),，球內(nèi)應(yīng)包含的星系數(shù)比較。他們發(fā)現(xiàn),，當(dāng)R較小時(shí),，偏離較大。但隨著R增大,，偏離越來(lái)越?。划?dāng)R大于3.5億光年時(shí),，基本趨于一致,。于是他們下結(jié)論說(shuō)，當(dāng)尺度大于3.5億光年,，宇宙物質(zhì)分布應(yīng)該是均勻的,。此結(jié)論暗含這一層意思：宇宙中不存在尺度大于3.5億光年的結(jié)構(gòu)。

不幸的是,，最近一些年,，天文學(xué)在宇宙中發(fā)現(xiàn)越來(lái)越多尺寸大于3.5億光年的結(jié)構(gòu)。

底下我們就來(lái)看看這些龐然大物：

1. 巨型空洞

2007年,，美國(guó)天文學(xué)家發(fā)現(xiàn),，宇宙存在一個(gè)巨大的空洞。它的直徑竟有6～10億光年,?？斩粗屑葲](méi)有星體、氣體云和其他普通的太空物質(zhì),，也缺少神秘的暗物質(zhì),。

盡管之前天文學(xué)家就已經(jīng)知道，宇宙中充滿(mǎn)了空洞,，但這個(gè)巨型空洞的直徑幾乎是那些已發(fā)現(xiàn)空洞的數(shù)十倍,。

2. 大型類(lèi)星體群

類(lèi)星體是一類(lèi)非常活躍的星系核,，是宇宙中最明亮的天體,。它最顯著的特征是兩極會(huì)發(fā)出強(qiáng)勁、明亮的噴流，據(jù)稱(chēng)是星系中心的超大質(zhì)量黑洞在吞食物質(zhì)時(shí)發(fā)出來(lái)的,。

自20世紀(jì)80年代以來(lái),，人們發(fā)現(xiàn)類(lèi)星體還有聚集成群的現(xiàn)象。這種大尺度結(jié)構(gòu)被稱(chēng)為“大型類(lèi)星體群”,。1991年發(fā)現(xiàn)的大型類(lèi)星體群U1.28由34顆類(lèi)星體組成,，跨度大約在20億光年。2011年發(fā)現(xiàn)的另一個(gè)類(lèi)星體群U1.1跨度在25億光年,。2013年,，一個(gè)更大的類(lèi)星體群又被發(fā)現(xiàn)了。這個(gè)名為U1.27的超大型類(lèi)星體群,，由73顆類(lèi)星體組成,，跨度有40億光年。這個(gè)尺寸是銀河系到最近的仙女座星系距離的1600倍,。

3. 宇宙“長(zhǎng)城”

前面已經(jīng)提到,，宇宙的三維地圖中，滿(mǎn)布著“空洞”和“長(zhǎng)城”,。這些“長(zhǎng)城”有的長(zhǎng)達(dá)5億光年,。

自那以后，更長(zhǎng)的“長(zhǎng)城”被陸續(xù)發(fā)現(xiàn),。2003年發(fā)現(xiàn)的“薩隆長(zhǎng)城”長(zhǎng)14億光年,。而2013年被發(fā)現(xiàn)的“武仙-北冕座長(zhǎng)城”，竟長(zhǎng)達(dá)150億光年,，是迄今所發(fā)現(xiàn)的宇宙的最大結(jié)構(gòu),。

這些大尺度結(jié)構(gòu)的存在，一次次把宇宙學(xué)原理推到風(fēng)頭浪尖上,。人們不禁深深地懷疑：宇宙真的是均勻的嗎,？大尺度結(jié)構(gòu)的極限在哪里？萬(wàn)一宇宙不是均勻的,，那會(huì)怎樣,？這些問(wèn)題正在考驗(yàn)宇宙學(xué)家的耐心。

拓展閱讀

我們處在一個(gè)宇宙空洞中嗎,？

英國(guó)劍橋大學(xué)的狄默思·克利夫敦提出一個(gè)驚人的觀(guān)點(diǎn)：我們或許生活在一個(gè)宇宙空洞中,。他說(shuō)，要是假設(shè)我們處在一個(gè)巨大的宇宙空洞中,，“宇宙膨脹加速”或許就是一個(gè)偽命題。

眾所周知,，1990年代天文學(xué)家發(fā)現(xiàn),，遙遠(yuǎn)的超新星看起來(lái)比理論預(yù)言的要暗淡。換句話(huà)說(shuō),，它們比預(yù)想的要離我們更遠(yuǎn),。他們相信,，一種與引力性質(zhì)相反的排斥力要為此負(fù)責(zé)。他們稱(chēng)之為“暗能量”,。

暗能量又是什么呢,？目前主流的觀(guān)點(diǎn)認(rèn)為，這是一種真空能量——在量子力學(xué)上,，空無(wú)一物的真空也是有能量的,。不過(guò)，后來(lái)根據(jù)觀(guān)測(cè)推算出來(lái)的暗能量值,，比量子物理學(xué)預(yù)言的小了120個(gè)數(shù)量級(jí),。

根據(jù)克利夫敦的看法，問(wèn)題或許不在宇宙學(xué)家的觀(guān)測(cè)上,，而在他們所做的一個(gè)假設(shè),，即“宇宙學(xué)原理”上。這個(gè)假設(shè)說(shuō),，宇宙物質(zhì)分布是均勻的,。我們可以想象，在一個(gè)均勻的宇宙中,，既沒(méi)有一個(gè)特殊的點(diǎn),，也沒(méi)有一個(gè)特殊的方向，即便是我們的所在,，也毫不特殊,。

但假如我們確實(shí)處在一個(gè)特殊的區(qū)域呢？比如說(shuō)在一個(gè)巨大空洞的中心,，我們所在區(qū)域,，其物質(zhì)密度比宇宙其余部分要小得多，那么我們周?chē)臅r(shí)空結(jié)構(gòu)就可能跟其它地方大不一樣,。

我們知道,，當(dāng)遠(yuǎn)處的星光經(jīng)過(guò)大質(zhì)量天體時(shí)，會(huì)發(fā)生匯聚的現(xiàn)象,，星星看起來(lái)似乎更明亮了,，此即引力透鏡效應(yīng)。但遠(yuǎn)處的星光經(jīng)過(guò)一個(gè)大空洞時(shí),，會(huì)如何呢,？顯然，將發(fā)生與引力透鏡相反的效應(yīng),，即星光被發(fā)散,，星星看起來(lái)似乎黯淡了。這樣或許就能解釋超新星為什么比預(yù)想的要黯淡的問(wèn)題了。宇宙加速膨脹,、暗能量,，都成了不必要的假設(shè)了。

克利夫敦的想法當(dāng)然很大程度上只是一種猜測(cè),。即使他的理論能解釋超新星變暗的問(wèn)題,，也無(wú)法解釋其他支持暗能量存在的證據(jù)。

然而,，不管對(duì)還是錯(cuò),，克利夫敦的做法給我們一個(gè)啟示：在宇宙學(xué)上，即使像宇宙學(xué)原理這樣的根本假設(shè),，也必須接受實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn),。我們不應(yīng)該僅僅因?yàn)檎鋹?ài)某個(gè)假設(shè)，就視其為當(dāng)然,。

本文源自大科技<科學(xué)之謎> 2017年第10期雜志文章 歡迎您關(guān)注大科技公眾號(hào)：hdkj1997