宇宙是均勻的嗎？

一群「持不同政見」的天文學家聲稱，宇宙並非像愛因斯坦設想的那樣平滑、均勻。如果他們的說法正確，那宇宙學可能就要改寫了。

當宇宙學家推測宇宙性質的時候，他們都懷著一個「心照不宣」的假設，這個假設最初是由愛因斯坦提出來的，那就是所有物質均勻地分布在宇宙空間。

然而當天文學家審視整個天空時，看到的卻是另一景象：由一個個星系組成的盤根錯節的星系「鏈」蜿蜒地穿行在天文學上稱之為「空洞」的空無一物的空間。物質在宇宙中的分布看起來遠非均勻。

傳統宇宙學家也承認，宇宙在小尺度範圍內並非均勻，譬如太陽系最近的鄰居半人馬座離我們就有4.2光年（合大約200億千米）；假如去串門，你會發現，路途中大部分時間都見不到一點物質的影子；此外，眾所周知，在宇宙中實行的是一套「等級制度」：億萬顆恆星組成了星系，星系組成星系團，星系團又組成超星系團……這一切都意味著在相對較小的尺度範圍內宇宙並非均勻。但他們一直信心滿滿地認為，宇宙在大尺度範圍內應該是均勻的；就好比海洋，從近處看波浪迭起，但從高空看全景圖，卻光滑如鏡。宇宙從全局看也應該是這個樣子。

如今一小群天文學家對此觀點提出挑戰。他們認為，宇宙不僅在小尺度範圍內是不均勻的，在大尺度範圍內也一樣是不均勻的。宇宙物質的分布，從任何尺度看都不均勻。

如果這一觀點正確，那可麻煩了，我們現在的宇宙學理論恐怕都要推到重來了。

宇宙

學上「心照不宣」的假設

現在用來描述大爆炸和宇宙進化的標準模型叫弗里德曼模型，其理論基礎是愛因斯坦1915年發表的廣義相對論。

廣義相對論實質上是關於引力的新理論。1922年，俄國物理學家亞歷山大?弗里德曼將廣義相對論應用於整個宇宙，建立了第一個宇宙模型。也正是愛因斯坦和弗里德曼最初提出假設：宇宙是均勻和各向同性的，也就是說，宇宙在任何位置、任何方向上都應該是一樣的。自那之後，這一假設在宇宙學上被認為是不言自明的。

當初做出這一假設有兩條理由。第一條純粹是從實用的角度考慮的：用來描述宇宙的方程太複雜了，如果宇宙不是均勻光滑的，求起解來非常困難。第二條理由則源於當時觀測資料的匱乏。要知道那個時候，沒有人知道宇宙在大尺度結構上是什麼樣子的，甚至連星系是構成宇宙的基本單位這一點大家都沒有完全接受。這樣一來，把宇宙設想成最簡單的形式就合情合理了。

在20世紀的大多數時間裡，人們沒有能力從觀測上對這一假設進行驗證。但隨著觀測技術的進步，我們能看到的宇宙區域越來越廣，現在終於可以驗證了。

那麼

具體來說，如何判斷宇宙是否均勻呢？

一個辦法是：從一個選定星系出發，數出以給定範圍內星系的數目，然後跟假設宇宙均勻時預言的在同樣範圍內的星係數量進行比較。

早先的一個結果表明，在一個實際宇宙中，從一個給定星系出發在1500萬光年範圍內發現的星係數，是均勻宇宙所預測的2倍。但你以為這樣就動搖了傳統宇宙學家的信念了嗎？不，他們堅持認為，如果所選的尺度擴大，那麼兩者應該趨於一致。他們估計，如果尺度超過9億光年，宇宙將接近均勻。

為什麼尺度對於判斷宇宙是否均勻這麼重要呢？舉個例子。你把一些同樣大小的球隨機地被撒在房間地板上，從球這個尺度看，它們在地板上的分布是均勻的，但從組成球的分子的尺度看，就不均勻了。因為在球上，分子密集，但在球與球之間的空間，卻一個分子也沒有。所以判斷物質分布均勻不均勻，跟所選的觀察尺度是很有關係的。

宇宙

也許具有分數維

但另一群天文學家卻對此持異議。對星系普查的結果做了分析之後，他們聲稱在更大的尺度內，等級結構依然統治著宇宙，也就是說，星系組成星系團，星系團組成超星系團，超星系團又組成超超星系團……綿延不絕，在每一個尺度上都重複著同樣的結構。

這種性質在一門叫「分形幾何」的學科中，稱為「自相似性」。自相似性的一個例子是俄羅斯套娃，一個套一個，它們除了大小不一樣，其模樣完全相同。如果一個系統具有這種自相似性，我們就說它是一個分形結構。雲朵、海岸線、花椰菜等等都具有分形結構。這一小群天文學家認為，宇宙也是一個分形結構。

分形結構有一個特點，那就是許多量與我們選擇的尺度有關。以海岸線的測量為例。一個測量員拿著一隻兩腳規，把它張成1米寬，去一步步測量一條海岸線。對於他來說，即使連接相鄰兩點的是一條彎彎繞的曲線，但在測量過程中，也被當作一條直線忽略過去了。這樣，他測量得到的海岸線長度肯定要比實際的短；如果他把兩腳規張成0.1米寬，那麼他的測量就會反映出更多的細節，這時他測得的海岸線長度將比以1米為單位測得的長度要大；如果他把兩腳規張成0.01米寬，那測得的海岸線長度將更長……總之，他用的測量尺子越小，所測量到的海岸線長度就越長；當尺子變得無窮小時，海岸線就變得無限長了（見我刊《大自然本身的幾何學》一文）。

同樣，要是宇宙是分形的，那麼任何物理量，包括平均密度都將隨著我們選擇的尺度而變化，離開所用的尺度來談平均密度是沒有意義的。而傳統宇宙學家就犯了一個嚴重的錯誤，他們事先假設存在一個跟尺度無關的所謂宇宙平均星系密度。

為了避免這種錯誤，義大利的一個研究小組把分形的特點考慮進來，計算了一下星系密度：圍繞一個選定星系半徑為R的區域內的星係數。在分形幾何中，這個數與R

D

成正比，D是分形的維數，其值在0到3之間。如果D是3，那就是說星系在球體內是均勻分布的，剛好對應傳統上的宇宙均勻的觀點。但如果D不是一個整數值，而是一個分數值，那麼星系的分布就不再是均勻的了。

計算結果表明，D大概在2.1左右，這意味著在離我們大約3億光年的範圍內，宇宙具有分形結構，而遠非均勻。

但這個估算只計及宇宙中那些發光的星系，而我們知道，發光物質只佔宇宙物質（不包括暗能量）總質量的很少一部分，宇宙總質量的90%以上是暗物質；暗物質不發光，只能通過它與發光物質的引力作用，間接推知它的存在。

可是在我們談論宇宙中物質分布是否均勻時，自然不能忽視這些「隱士」。比如說，如果我們看到的所謂空洞事實上填滿了暗物質，那麼即使在較小的尺度範圍內，我們也可能得出宇宙是均勻的這一結論。

但天文學家指出，宇宙中發光物質的分布和暗物質分布迥然不同的可能性幾乎很小。這是因為暗物質與普通發光物質之間有引力作用，相互吸引的結果是兩者聚在一起，在那些沒有發光物質的空洞里，一般也不會有暗物質存在，所以暗物質不會破壞宇宙的分形結構。事實上，如果暗物質的分布與普通物質大體相近，那麼宇宙甚至比發光物質所顯示的還要不均勻。

富有

挑戰的分形宇宙

但是，就算宇宙是分形的吧，難道會像理論家們認為的，會帶來災難性後果嗎？難道就意味著我們要拋棄現有的宇宙學模型嗎？

分形宇宙首先遇到的一個難題是，傳統的宇宙學模型假設宇宙物質是均勻分布的，這樣才能從愛因斯坦方程中求得一個解，而對於一個分形的物質分布，太複雜了，根本不可能找到愛因斯坦方程的一個解。

其次，雖然星系的等級結構是支持分形宇宙的最有力的證據，但分形宇宙理論自己卻解釋不了這個結構是怎麼形成的。

那麼對於這一現象，傳統理論是如何解釋的呢？在傳統宇宙學的圖景中，宇宙的演化從均勻宇宙中物質密度的一個微小波動開始的，比如說，在某個空間恰巧物質分布多了點，這個偶然的巧合隨後被引力放大了：物質密度大的區域具有更強的引力，所以就拉進來更多的物質，使區域里物質密度更大，如此等等。這就好比富者更富，窮者更窮。

但是，這個過程還必須把宇宙在膨脹這一事實考慮進來，膨脹使儘力聚攏來的物質又分開。引力和膨脹較量的結果是，在小尺度範圍內，引力獲得了勝利，把物質聚集成了星系、星系團乃至超星系團。但隨著尺度的增加，膨脹的影響越來越大（這就是著名的哈勃定律，這個定律說兩個星系分離的速度與它們之間的距離是同步增加的），所以不可避免地存在一個尺度，在這個尺度上膨脹壓倒了引力，不再有更高的等級結構生成。比如說到了超星系團，等級結構就截止了，不會有超超星系團形成，這些超星系團均勻地遍布整個宇宙，於是從超星系團這個尺度來看，宇宙就是均勻的。

這是目前對星系等級結構的形成最具說服力的解釋，如果宇宙是分形的，勢必這一切都要拋棄。

但不管分形宇宙的觀點在理論上的挑戰多麼難以克服，假如分形宇宙既不是猜測，也不是模型，而只是一個觀測事實呢？我們總不能貪圖理論上的簡單方便而無視事實吧？因為迄今的觀測都支持這個觀點。此外，對於一些問題，分形結構也許會導致一個完全嶄新的宇宙圖景，所以說不定還有一些激動人心的事情在等著我們呢。

看來，宇宙是均勻的還是分形的，解決這一爭論的最終裁決權在於未來對宇宙進行更大範圍的觀察。假如未來的望遠鏡威力更大，對宇宙的觀測能大到一個尺度，在這個尺度上宇宙變得均勻了，那我們就可以一勞永逸地支持宇宙是均勻的這一觀點。假如我們始終沒找到這一尺度，那恐怕就要不得不接受宇宙是分形的這種觀點了。隨之而來，我們還要從這一新的觀點重新解釋大爆炸和星系形成等等這些我們自以為瞭然於胸的問題。

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