从大尺度看宇宙

人类对宇宙的认识，是从太阳、月亮和头顶上璀璨的星空开始的。

说起这些星星，虽共领着“星”的名字，其实成员的身份是颇为复杂的。其中有像金星一样的行星，有像天狼星一样的恒星，还有动辄包含数百亿颗恒星的星系——仅仅因为距离的遥远，它们才看起来像一颗星。

这些星星距离我们虽然远近有别，但由于人类眼睛的分辨率有限，它们看起来全好像分布在一个巨大的天球面上。我们看到的，实际上是它们在二维球面上的投影。

它们在天空中的分布有何规律？自古以来，就是人们谈论的话题。古人不懂星星有行星、恒星和星系之分，有时把不同性质的天体硬扯在一起，编造出星座的神话。这也算是他们寻找星星分布规律的初步尝试吧，但现在我们已经知道，这些“规律”是错误的。

宇宙学原理：宇宙是均匀的

自哥白尼提出太阳中心说以来，人们借助越来越强大的望远镜已经认识到，天体的分布在一定的尺度上遵循着等级制度：卫星绕着行星转；行星绕着恒星转；恒星又组成星系，绕着中心的黑洞转；星系继续组成星系团……按我们直观的想法，这种类似“一群小领导隶属于一个大领导”的等级结构，应该无穷地延续下去。

然而现代宇宙学在创始之初，就提出一条被称为“宇宙学原理”的基本假设。这个假设认为：宇宙物质在大尺度上应该是均匀分布的。之所以做这样的假设，是因为这样的宇宙是最简单的。

但这个原理岂不跟前面提到的星系等级结构矛盾？要回答这个问题，需要我们搞清楚何谓“大尺度”。

假如你在一个小房间里随机地撒下一碗豌豆。在你看来，它们均匀地分布在地上。但此时如果从某颗豌豆里探出一条虫子，它会怎么看呢？

它的目力有限，仅能看到眼皮子底下的一粒豆子，当它抬起头来，只感觉到周围空洞洞的空间。它要是能说话，定会告诉你：“全宇宙的物质全集中在我所在的豆子上，其他地方全是虚空。”

为什么你和虫子的意见会如此不同？显然，这是因为你能从全局看整个房间，而虫子只能看到它眼皮底下一粒豆子大小的区域。或者这么说：你们的观察尺度不一样，你是从大尺度看，虫子是从小尺度看；从小尺度看，“宇宙”物质的分布是不均匀的，但从大尺度看，却是均匀的。

所以，宇宙是否均匀，从不同的尺度看，得出的结论会不一样。宇宙学原理并不否认，从小尺度看，星系分布具有不均匀的等级结构，但它相信，存在一个尺度，从这一尺度上看，等级结构终止了，宇宙是均匀的。

描绘宇宙的3D地图

在过去的研究中，由于不知道星系的距离，人们习惯将观测到的星系画在二维的天球坐标系中。在这样的图中，它们的分布看起来非常均匀，这似乎印证了宇宙学原理。

但等到天文学家学会了如何测量星系的距离之后，情况变得不确定起来。

自哈勃做出那个划时代的发现之后，我们知道，远方的星系都在远离我们。它们退行的速度与距离成正比，此即哈勃定律V=HD（V为退行速度，D为距离，H为哈勃常数）。而我们还知道，当天体远离我们时，其发出的光谱要朝着波长长的一端移动，此即“红移”。根据红移的量，就能算出天体离开我们的速度，然后应用哈勃定律，又能算出它相对我们的距离。

通过这种办法，天文学家测出一个个星系的三维坐标，并绘制成宇宙的三维地图。其中两个维度代表星系在天球面上的位置，第三个维度则代表它在纵深方向的距离。

显然，宇宙的三维地图比二维地图更能真实地反映宇宙物质的分布，可以让天文学家在更严格的意义上检验宇宙学原理。

但是，用这种办法绘制成的宇宙三维地图大出乎他们的意料。首先，映入我们眼帘的是一些空洞。所谓“空洞”就是宇宙密度（单位体积内包含的星系数目）远小于平均密度的空间。它们的尺度一般在3千万光年。

其次，是宇宙密度大于或等于平均密度的区域，宇宙学家称之为“长城”。大多数星系就集中在这些蜿蜒曲折的“长城”上。每座“长城”在各处厚度不一，能延伸数亿光年以上。在它们彼此的交汇处，星系分布更加密集，称为“结”。

谁把宇宙雕琢成这个样子？

这种大尺度结构是如何形成的？是先有这种形状的“脚手架”，然后在“脚手架”中一步一步形成恒星、星系，还是反过来，先形成恒星、星系，星系再聚成这种大尺度结构的？这些问题一时困扰着宇宙学家。

按大爆炸理论，宇宙早期温度极高，密度极大，物质分布高度均匀。如此看来，现在所展现的类似中空泡沫塑料的结构，必定是在引力推动之下演化来的。但是怎么演化来的呢？

1970年代，人们已经意识到，宇宙中可见物质所占的比例很小，有超过84%都是不可见的暗物质。这意味着，在塑造宇宙的活动中，暗物质才是主角。

尽管天文学家至今对暗物质所知甚少，但他们仅凭对它的有限认识，在1980年代对宇宙的演化进行了计算机模拟。结果显示，在暗物质作用下，率先形成的是星系，然后是星系团，再后来，含有“空洞”和“长城”的整个泡沫结构也出来了。模拟得到的宇宙大尺度结构，与观测到的十分相似。

在模拟中，还可清楚地看到，在这场演化中，暗物质起到“脚手架”的作用。在恒星和星系还没有形成之前，暗物质凭自身引力把一些气体拉拽到身边，然后这些气体在引力作用下坍缩，坍缩到一定程度点燃了内部的核聚变，于是形成了恒星。千万颗恒星又进一步组成了星系。

更大尺度的结构

很明显，这种大尺度结构的存在，说明宇宙物质至少在星系这个尺度上，分布不是均匀的。

不过，宇宙学家终究是不肯轻易认错的。他们说：“宇宙看起来不均匀，是因为我们选择的观察尺度还不够大，假如从更大的尺度来观察，说不定就均匀了。”——你要是想说服前面那只趴在豌豆上的虫子，想必也会这么说。

比星系更大的尺度，当然是星系团或超星系团。不过，对于遥远的天体，要判断是星系还是星系团，实在太困难了，天文学家采用了一个偷懒的办法。他们以宇宙三维地图上任意一个星系为中心，画一个半径为R的球，数出球内所包含的星系数。然后跟假设星系均匀分布时，球内应包含的星系数比较。他们发现，当R较小时，偏离较大。但随着R增大，偏离越来越小；当R大于3.5亿光年时，基本趋于一致。于是他们下结论说，当尺度大于3.5亿光年，宇宙物质分布应该是均匀的。此结论暗含这一层意思：宇宙中不存在尺度大于3.5亿光年的结构。

不幸的是，最近一些年，天文学在宇宙中发现越来越多尺寸大于3.5亿光年的结构。

底下我们就来看看这些庞然大物：

1. 巨型空洞

2007年，美国天文学家发现，宇宙存在一个巨大的空洞。它的直径竟有6～10亿光年。空洞中既没有星体、气体云和其他普通的太空物质，也缺少神秘的暗物质。

尽管之前天文学家就已经知道，宇宙中充满了空洞，但这个巨型空洞的直径几乎是那些已发现空洞的数十倍。

2. 大型类星体群

类星体是一类非常活跃的星系核，是宇宙中最明亮的天体。它最显著的特征是两极会发出强劲、明亮的喷流，据称是星系中心的超大质量黑洞在吞食物质时发出来的。

自20世纪80年代以来，人们发现类星体还有聚集成群的现象。这种大尺度结构被称为“大型类星体群”。1991年发现的大型类星体群U1.28由34颗类星体组成，跨度大约在20亿光年。2011年发现的另一个类星体群U1.1跨度在25亿光年。2013年，一个更大的类星体群又被发现了。这个名为U1.27的超大型类星体群，由73颗类星体组成，跨度有40亿光年。这个尺寸是银河系到最近的仙女座星系距离的1600倍。

3. 宇宙“长城”

前面已经提到，宇宙的三维地图中，满布着“空洞”和“长城”。这些“长城”有的长达5亿光年。

自那以后，更长的“长城”被陆续发现。2003年发现的“萨隆长城”长14亿光年。而2013年被发现的“武仙-北冕座长城”，竟长达150亿光年，是迄今所发现的宇宙的最大结构。

这些大尺度结构的存在，一次次把宇宙学原理推到风头浪尖上。人们不禁深深地怀疑：宇宙真的是均匀的吗？大尺度结构的极限在哪里？万一宇宙不是均匀的，那会怎样？这些问题正在考验宇宙学家的耐心。

拓展阅读

我们处在一个宇宙空洞中吗？

英国剑桥大学的狄默思·克利夫敦提出一个惊人的观点：我们或许生活在一个宇宙空洞中。他说，要是假设我们处在一个巨大的宇宙空洞中，“宇宙膨胀加速”或许就是一个伪命题。

众所周知，1990年代天文学家发现，遥远的超新星看起来比理论预言的要暗淡。换句话说，它们比预想的要离我们更远。他们相信，一种与引力性质相反的排斥力要为此负责。他们称之为“暗能量”。

暗能量又是什么呢？目前主流的观点认为，这是一种真空能量——在量子力学上，空无一物的真空也是有能量的。不过，后来根据观测推算出来的暗能量值，比量子物理学预言的小了120个数量级。

根据克利夫敦的看法，问题或许不在宇宙学家的观测上，而在他们所做的一个假设，即“宇宙学原理”上。这个假设说，宇宙物质分布是均匀的。我们可以想象，在一个均匀的宇宙中，既没有一个特殊的点，也没有一个特殊的方向，即便是我们的所在，也毫不特殊。

但假如我们确实处在一个特殊的区域呢？比如说在一个巨大空洞的中心，我们所在区域，其物质密度比宇宙其余部分要小得多，那么我们周围的时空结构就可能跟其它地方大不一样。

我们知道，当远处的星光经过大质量天体时，会发生汇聚的现象，星星看起来似乎更明亮了，此即引力透镜效应。但远处的星光经过一个大空洞时，会如何呢？显然，将发生与引力透镜相反的效应，即星光被发散，星星看起来似乎黯淡了。这样或许就能解释超新星为什么比预想的要黯淡的问题了。宇宙加速膨胀、暗能量，都成了不必要的假设了。

克利夫敦的想法当然很大程度上只是一种猜测。即使他的理论能解释超新星变暗的问题，也无法解释其他支持暗能量存在的证据。

然而，不管对还是错，克利夫敦的做法给我们一个启示：在宇宙学上，即使像宇宙学原理这样的根本假设，也必须接受实验的检验。我们不应该仅仅因为珍爱某个假设，就视其为当然。

本文源自大科技<科学之谜> 2017年第10期杂志文章 欢迎您关注大科技公众号：hdkj1997