巨型天體也許來自另一個宇宙

在充滿宇宙的星系網中有一個巨大的空洞；一根由類星體構成的巨弦可以跨越數百億光年；一個由劇烈爆發構成的環形佔據了可見宇宙的6％……隨著觀測宇宙的能力日益強大，天文學家開始識別出比此前已知的更為巨大的結構。可是，它們中任何一個都不應該存在於那裡。

自從哥白尼提出了他的革命思想，即地球在群星之間並沒有什麼特別的地方，天文學家就把它視為根本。宇宙學原理則更進了一步，認為宇宙中沒有任何地方是特殊的。當然，在局部上可以存在不同等級的系統，例如太陽系、星系和星系團，但當你進入更大的尺度，宇宙就應該表現出均勻性，且各向同性，沒有巨大的星系壁，沒有巨大的空洞，也沒有巨大的結構。

這就難怪這些接二連三的最新發現讓宇宙學家火冒三丈了。然而，對這個問題的解答也同樣充滿了爭議。有人提出，這些大質量的結構是另一個維度投影出的幻象，是存在我們自身之外的現實的第一個誘人證據。如果是這樣，那麼這些龐然大物就並非是存在於我們宇宙中的物理實體，宇宙學原理依然適用。

在現代宇宙學中有一個魔咒，它就是宇宙中的「受青睞區域」。自文藝復興以來，所有的科學想法都一直在反對這個概念。「受青睞區域」會使得用愛因斯坦的廣義相對論來研究引力在宇宙演化中的作用變得更加困難。如果你假設宇宙幾乎是均勻的，那麼求解愛因斯坦方程就會容易得多。不過目前，宇宙學原理僅僅是一個假設。沒有具體的證據能佐證它是正確的，反倒是有越來越多的證據來否定它。

以之前提到的宇宙巨洞為例，它的直徑達到了近2 0億光年。相比於宇宙中星系的平均密度，這個巨洞中的星係數量少了約1 0 0 0 0個。根據最新的觀測數據，天文學家認為宇宙學原理只有在約1 0億光年的尺度及以上才成立。此時，對於任意給定的體積，其中物質的平均總質量才基本相等。然而，存在一個比這一尺度還要大一倍的巨洞著實讓整個畫面顯得突兀。1 0多年前，天文學家在宇宙微波背景中發現了一個巨大的低溫斑塊，這個超巨洞興許可以解釋這個現象。

然而，超巨洞其實還不算大。早在2 0 1 2年，就有天文學家團隊宣布發現了跨度超過4 0億光年的巨大結構，其大小是超巨洞的2倍。那會是什麼東西？顯然，它肯定很不尋常。然而，這一次它並不是太空中一片空無一物的區域，反而特別擁擠，被稱為巨類星體群。它包含有7 3個類星體——非常遙遠的星系的明亮活躍中心區。2 0世紀8 0年代初，天文學家就已經知道，類星體有聚集在一起的趨勢，但在此之前還從來沒有發現它們會在這麼大的尺度上成群。

2 0 1 5年年初，另一個天文學家團隊發現了一個巨大的伽馬射線暴群。伽馬射線暴是發生在遙遠星系中的短暫高能爆發現象。發生這些伽馬射線暴的星系看上去似乎形成了一個直徑達5 0億光年的環形，佔據了整個可觀測宇宙的6％。天文學家並沒有想到會發現這麼大的結構。它的大小是宇宙學原理成立尺度的5倍。

宇宙學原理是我們認識宇宙的根本基礎，因此，這些有違宇宙學原理的現象深深地讓天文學家和宇宙學家感到不安，即使這些現象的發現者也是如此。例如，由伽馬射線暴組成的環形，有一種可能性是它們被其他星系包圍著，由於這些星系過暗而沒有被看到。這就像在一個黑暗的房間中均勻地放置著燈泡，當你走進房間時，僅有幾隻被點亮了，那麼你很可能會就燈泡的分布得出錯誤的結論。這並不一定會破壞宇宙學原理。

調和矛盾

巨大的類星體群也引發了激烈的爭論。有天文學家認為，它並非是一個真正的結構。2 0 1 3年發表的一篇論文對發現這一結構的演算法和數據進行了分析，計算了隨機分布的類星體呈現出結構的概率。結果顯示，這個概率相當高。不過，現在就下結論還太早。該類星體群的發現者認為，這一反對意見「保守且不現實」。他們認為，與模擬隨機分布不同，所有的反對者應注意到一個事實，即這些類星體都擁擠在約3億光年的尺度之內。

和類星體群一樣，超巨洞也被認為可以與宇宙學原理相調和。宇宙學原理並沒有說不允許任何地方出現漲落，而是說宇宙在大尺度上的平均意義下是均勻的。總之，發現類似超巨洞這樣的結構的概率並非為零，但數量不會很多。

一個由美國和匈牙利科學家組成的小組發現了由9 個伽馬射線暴組成的環狀結構，跨度達5 0 億光年。伽馬射線暴的分布如上圖藍點所示。

然而，也有理論物理學家認為，無視這些宇宙巨型結構的做法也許是錯誤的。事實上，在宇宙學原理依然成立的情況下，它們仍能存在。我們要做的就是認為它們實際上並不存在。相反，它們其實是其他維度侵入我們宇宙的首批證據，是在我們均勻光滑的宇宙背景上留下的痕迹。

這似乎是一個驚人的大膽建議，建立在堅實的理論基礎上。一方面，超越四維時空的額外維度並非是什麼新鮮事。幾十年來，許多理論物理學家認為，額外維度的存在是我們調和愛因斯坦的廣義相對論和2 0世紀物理學另一個成就——量子理論——的最大希望。前者描繪的是大尺度上的現象，後者描述的是微觀世界。這兩個看似完全不同的概念的聯姻會催生出一個可以描述宇宙各個尺度的理論，它常被稱為「終極理論」或「萬物理論」。

一個熱門的候選者是M 理論，它是弦理論的一個擴展。M理論認為，我們生活在一個十一維的宇宙中，其他的7個維度緊緊地蜷縮在一起而無法被觀測到。這是一個優雅且在數學上吸引人的框架，有一批有影響的支持者。但它也有一個重大缺陷：缺乏可以用來檢驗的堅實預言。弦理論的另一個延伸——膜理論，也許可以做到這一點，並就此解決宇宙學原理的困境。

膜理論的核心思想是，我們所知的宇宙是一張飄浮在更高維時空中的四維膜，在這個更高維的時空中還存在其他的膜。這樣的想法可以與現有的引力理論相一致。事實上，即使是有無窮多個額外維度，你仍然可以回到廣義相對論。

雖然其他的膜也佔據著額外維度，但它們無法被直接探測到。該理論認為，我們也許只能探測到當鄰近的膜與我們所在的膜重疊時出現的效應。

宇宙間的重疊

那麼，這對解決宇宙學原理的問題有什麼幫助呢？為了測量遙遠天體的距離，天文學家利用一種效應，被稱為紅移。天文學家可以使用分光計分解天體發出的光，分析其光譜。由於宇宙的膨脹，正在遠離我們的任何天體發出的光都會被拉長，其譜線就會向光譜的紅端移動。距離我們越遠的天體，其退行的速度就越快，其紅移的量就越大。如果天文學家看到許多天體都具有相同的紅移，會將此解釋成某種形式的結構，就像伽馬射線暴環或者是巨類星體群。當有另一個膜與我們自己的重疊時，一個膜中的光子會對另一個膜中的帶電粒子施加一個作用力，會改變氫原子能級間的距離。當電子在這些能級之間躍遷時，它們會發射或吸收光子，產生我們用來測量距離的譜線，而這些譜線可能是扭曲的。

斯隆數字巡天繪製的宇宙三維圖

如果膜的重疊使得能級間距縮小，發射出的光子的波長就會變長，而這個紅移量和宇宙的膨脹沒有任何關係。如果我們觀測這一區域的紅移，卻沒有考慮這一點，依然按照傳統的模式分析測量到的紅移，就會系統性地高估膜重疊區域中天體的距離。

如果這個模型是正確的，那麼膜重疊區域會出現有些天體聚集在某一個紅移值上，而在其他紅移值上則沒有天體。這就導致即使是均勻的宇宙，看上去也會包含大質量結構和超巨洞的錯覺。這一下子就解釋了巨類星體群、伽馬射線暴環和超巨洞的起源，這些結構和潛在的膜重疊相符。

期待證據

當然，這絕非是一目了然的事情。為了達到最終的目標，這個理論中包含了許多的假設，其中一些可能有點太過理想。另外，此前也有人對膜理論中的一些假設提出了嚴厲的批評，其中不乏弦理論家。儘管如此，這個模型肯定是可以檢驗的。

通過觀測天空中的高密度區和與之毗鄰的低密度區，可以對這一理論進行檢驗。如果在所有情況下紅移測量結果間的差異都是一樣的，那麼它很可能表明，我們的膜與另一個膜存在重疊。

斯隆數字巡天已經完成了有史以來最詳細的宇宙三維圖，有科學家正在計劃研究其中的紅移資料庫，來尋找支持這一理論的證據。這將會是證明我們的宇宙並不唯一的重要證據，它不僅能解釋天文觀測中一些令人困惑的結果，還能為抽象的弦理論打下實驗的基礎。

不過，把宇宙中這些最大的結構化整為零地解釋的方法可能會招來新的麻煩。例如，發現超出我們自身所在的膜會對人類自身在宇宙中本已脆弱的地位造成嚴重的挑戰，並且使得宇宙均勻性的概念變得沒有意義。畢竟，在一個包含有相互作用膜的巨大多重宇宙中，宇宙學原理很有可能將不再成立。

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