【原】種種跡象表明：宇宙就是一個活人,！它似乎在不同的尺度上重復(fù)著相似的模式

科學(xué)羊 2025-01-11 發(fā)布于廣東

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封面｜曼德布羅集

大家好,，我是科學(xué)羊。

仰望星空,，當(dāng)我們將視線投向浩瀚無垠的宇宙時,，常常會產(chǎn)生一種奇妙的感覺：大大小小的星系、星云,、以及銀河系的無數(shù)微小組成部分,，似乎在不同的尺度上重復(fù)著相似的模式。

這種視覺上的相似性,，是我們觀察宇宙的一種奇特體驗(yàn),。而在更深層次的科學(xué)探索中，或許可以用一種“分形”的思維方式來解讀宇宙的結(jié)構(gòu),。

01 宇宙結(jié)構(gòu)的相似性

無論是在最宏大的尺度,，還是在微觀的尺度上，宇宙的結(jié)構(gòu)似乎都在不斷重復(fù)著類似的模式。

在我們觀察宇宙中最大的結(jié)構(gòu)——如宇宙大尺度結(jié)構(gòu)——時,，我們不僅能看到龐大的星系,、星系團(tuán)等星際物質(zhì)的分布，甚至在小至銀河系,、甚至更小的星系周圍,，也能觀察到類似的暗物質(zhì)光暈。

顯然,，宇宙的結(jié)構(gòu)不僅在不同的尺度上存在相似性,，甚至在最微小的星系間空隙中，也能發(fā)現(xiàn)一些微小的子結(jié)構(gòu),。

這種現(xiàn)象本質(zhì)上反映了一種普遍存在的規(guī)律：萬有引力,，在宇宙的每一個角落都在起作用，并且它產(chǎn)生的影響在不同的尺度上都表現(xiàn)出相似的模式,。

這種規(guī)律的背后，正是引力的作用：當(dāng)我們將視野拉遠(yuǎn),，從宇宙最微小的星系到最宏大的結(jié)構(gòu),，萬有引力似乎都是唯一重要的力。

隨著時間的推移,，若你等待得足夠久,，引力的作用將導(dǎo)致不同尺度上相似的結(jié)構(gòu)形成。這不僅是天體物理學(xué)的一個基礎(chǔ)概念,，更為深奧的是,，它預(yù)示著宇宙的結(jié)構(gòu)形成具有一定的“自相似性”。

02 分形：自相似的數(shù)學(xué)概念

如果我們放大視野,，甚至在更宏大的尺度上觀察,，會發(fā)現(xiàn)宇宙的結(jié)構(gòu)似乎以一種分形的形式存在。

分形是一個數(shù)學(xué)概念,，描述的是在不同尺度上自相似的結(jié)構(gòu),。當(dāng)某個圖形在不同的放大倍數(shù)下，展現(xiàn)出相同的規(guī)律或形態(tài)時,，我們稱其為自相似的,。

更準(zhǔn)確地說，當(dāng)圖形的不同尺度上擁有相似的統(tǒng)計(jì)特征時,，我們就可以把它稱作“分形”,。

分形的一個著名例子是曼德布羅集，這一數(shù)學(xué)圖形展示了自相似性和準(zhǔn)自相似性的組成部分,，也許是分形結(jié)構(gòu)最著名的代表,。

曼德布羅集是通過對復(fù)數(shù)序列的迭代生成的，它的圖像在不同的放大尺度下，展現(xiàn)出自相似的特征,。

初看這些圖形,，我們可以發(fā)現(xiàn)一個有趣的現(xiàn)象：放大圖像之后，雖然圖形的細(xì)節(jié)發(fā)生了變化,，但其基本形態(tài)卻保持了相似性,。

數(shù)學(xué)家通過不斷放大這些圖形，發(fā)現(xiàn)了其獨(dú)特的自相似性,，甚至在不同的尺度下,，曼德布羅集的形態(tài)都表現(xiàn)出了類似的規(guī)律。

03 宇宙中的分形結(jié)構(gòu)

將分形的概念應(yīng)用到宇宙的結(jié)構(gòu)中,，我們不禁要問,，宇宙本身是否是一個分形呢？

從物理學(xué)的角度來看,，答案是“幾乎是分形,，但并不完全是”。

在20世紀(jì)末,，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn),，宇宙的結(jié)構(gòu)形成與分形現(xiàn)象有著驚人的相似性。

首先,，我們知道,，宇宙中充斥著一種我們無法直接觀測到的神秘物質(zhì)——暗物質(zhì)。

其次,，宇宙的空間曲率也趨向于平坦,，這意味著，如果我們將宇宙中所有的物質(zhì)和能量加在一起,，其總量將達(dá)到臨界密度,，從而決定了宇宙的膨脹速率。

不過,，盡管宇宙的結(jié)構(gòu)與分形有諸多相似之處,，但宇宙并不是嚴(yán)格意義上的分形。

我們知道,，分形的形成通常需要一個統(tǒng)一,、規(guī)則的系統(tǒng)，而宇宙的構(gòu)成則遠(yuǎn)比這個復(fù)雜,。

在宇宙中,，不僅有暗物質(zhì)和普通物質(zhì)的相互作用，還有輻射,、暗能量等多種因素共同作用,，導(dǎo)致了宇宙的演化與分形的概念有所不同。

04 模擬與暗物質(zhì)的研究

通過對宇宙中暗物質(zhì)的模擬，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn),，無論是在大尺度還是小尺度,，暗物質(zhì)的分布都呈現(xiàn)出一些自相似的特征。

具體來說,，所有的星系都嵌套在暗物質(zhì)光暈中,，并且其密度在星系的中心達(dá)到峰值。

在長期的演化過程中,，暗物質(zhì)粒子會在其軌道上運(yùn)動,，最終形成一個球狀的暗物質(zhì)暈。

值得注意的是,，盡管我們對宇宙的理解不斷深入,，但不同的模擬條件幾乎總會得到相似的結(jié)果：暗物質(zhì)的密度分布具有特定的輪廓，無論是大尺度還是小尺度,，結(jié)構(gòu)都呈現(xiàn)出自相似性,。

四種不同的模擬暗物質(zhì)密度剖面圖，以及一個 (模擬的) 等溫剖面圖 (紅色) ,，更好地匹配觀察,，但模擬無法重現(xiàn)。請注意,，這些暗物質(zhì)剖面在不同的宇宙尺度上具有相同的斜率，但周轉(zhuǎn)半徑不同,。(Credit: R. Lehoucq et al,。，A & A,，2009)

科學(xué)家們在模擬中發(fā)現(xiàn),，這些暗物質(zhì)光暈的普遍輪廓，正是宇宙結(jié)構(gòu)自相似性最為明顯的體現(xiàn),。

在模擬中,，暗物質(zhì)與普通物質(zhì)的相互作用會導(dǎo)致復(fù)雜的密度分布，而這種分布無論在不同的尺度下都表現(xiàn)出相似的趨勢,。