宇宙星系的排列是有规律的，还是完全随机的

北京时间 6 月 2 日消息，据国外媒体报道，天文学家正在接近一个古老问题的答案。几十年来，宇宙学家一直想知道宇宙的大尺度结构是否是分形的，即无论在多大的尺度上，宇宙看起来都具有相似的形状。在完成了对众多星系的大规模调查后，科学家们终于找到了答案：宇宙并不是分形的，但在某种程度上，却又像是分形的。

20 世纪初，埃德温・哈勃率先发现了我们与仙女座星系（离银河系最近的星系）之间的巨大距离，天文学家们也开始意识到，宇宙的浩瀚几乎是无法想象的。另一方面，天文学家也观测到了散落的星系，远近都有。于是，一个问题很自然地提了出来：这些星系的排列是有规律的，还是完全随机的？

起初，这一切看起来是很随机的。天文学家看到了巨大的星系团，每个星系团包含上千个甚至更多的星系；也有一些小得多的星系群，有的星系则独自在宇宙中游荡。从这些观测结果来看，宇宙似乎并没有什么普遍性的模式。

天文学家对此并不介意。长期以来，他们一直假设存在一种名为“宇宙论原则”（cosmological principle）的概念，即宇宙基本上是均质（各处大致相同）和各向同性的（无论你往哪个方向看都大致相同）。一系列随机的星系和星系团正好符合这个原则。

但在 20 世纪 70 年代末，星系调查更加深入，开始揭示星系排列中呈现的模式。除了星系团，还有很长、很细的大尺度纤维结构；在宇宙大尺度构造中，还有所谓的“长城”，又称为“巨墙”，星系和星系团的分布并不均匀，而是连结成条状结构，有的甚至长达 5 亿光年，宽 3 亿光年，并且有 1500 万光年那么厚；然后是“空洞”，即纤维状结构之间的空间，只包含很少或完全不包含任何星系。天文学家将所有这一切称为“宇宙网”。这种模式违反了宇宙论原则，因为这意味着宇宙的大片区域看起来与其他大片区域并不一致。

因此，关于宇宙大尺度构造的模式，也许还有更多的故事。

宇宙中的宇宙

一个有趣的观点来自数学家、分形之父本华・曼德博（Benoit Mandelbrot）。分形很难定义，但我们凭直觉就能理解：它们是重复的几何图案，无论缩放多少倍，其每个部分都（至少近似地）是整体缩放后的形状。本华・曼德博并没有发明“分形”这个概念 —— 数学家们对自相似模式的研究已经有很多年了 —— 但他创造了“分形”（fractal）这个词，并引领了对这一概念的现代研究。

分形随处可见。把雪花的一个角放大，你会看到微型雪花；放大树枝，你会看到微型的树枝；放大海岸线，你会看到微缩的海岸线。在自然界中，分形在我们的周围几乎无处不在，而分形的数学使我们能够理解宇宙中各种各样的自相似结构。

本华・曼德博猜测，如果分形无处不在，那么也许整个宇宙就是一个分形。也许我们看到的星系排列模式是最大分形可能的开端。也许，如果我们对宇宙结构的调查足够精密，就会发现其中所隐藏的结构 —— 宇宙网中的宇宙网，填满整个宇宙直到浩瀚界限。

均质性的宇宙尺度

随着天文学家对宇宙网的了解越来越多，他们对大爆炸的历史的了解也更加深入，并想出了各种方法来解释宇宙中存在的大尺度模式。这些理论预测称，宇宙仍然是均质的，只不过是在比天文学家之前观察到的大得多的尺度上。

分形宇宙的最终考验直到本世纪才会到来，届时真正规模庞大的调查，如斯隆数字巡天（SDSS），将能够绘制数百万个星系的位置，绘制出一幅宇宙网的图像，其规模前所未见。

如果分形宇宙的观点是正确的，那么可以想见，我们所处的局部宇宙网络将嵌在一个更大的宇宙网络中。如果这一观点是错的，那么在某个临界点上，宇宙网将不再是一个宇宙网，而是一个随机的，足够大的“宇宙块”，看起来（在统计上）应该就像任何其他随机的块。结果就是均质性，只不过是在一个令人震惊的尺度上。你需要穿过大约 3 亿光年，才会发现宇宙趋于均质。

宇宙绝对不是分形的，但宇宙网的某些部分仍然具有有趣的分形性质。例如，被称为“晕”的暗物质团承载着星系及星系团，形成嵌套结构和子结构；暗物质晕也包含着次级和次次级的分支结构。

宇宙中的空洞并非完全是空无一物的。它们确实包含少数黯淡的矮星系，而它们就排列在一个精细、稀薄的宇宙网中。在计算机模拟中，这种结构中的亚空洞内部也包含着其自身的宇宙网。

因此，尽管宇宙作为一个整体不是分形的，本华・曼德博的观点也站不住脚，但我们仍然可以在宇宙中的任何地方观察到分形。

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