20世紀初,埃德溫·哈勃率先發現瞭我們與仙女座星系(離銀河系最近的星系)之間的巨大距離,天文學傢們也開始意識到,宇宙的浩瀚幾乎是無法想象的。另一方面,天文學傢也觀測到瞭散落的星系,遠近都有。於是,一個問題很自然地提瞭出來:這些星系的排列是有規律的,還是完全隨機的?
起初,這一切看起來是很隨機的。天文學傢看到瞭巨大的星系團,每個星系團包含上千個甚至更多的星系;也有一些小得多的星系群,有的星系則獨自在宇宙中遊蕩。從這些觀測結果來看,宇宙似乎並沒有什麼普遍性的模式。
天文學傢對此並不介意。長期以來,他們一直假設存在一種名為“宇宙論原則”(cosmological principle)的概念,即宇宙基本上是均質(各處大致相同)和各向同性的(無論你往哪個方向看都大致相同)。一系列隨機的星系和星系團正好符合這個原則。
但在20世紀70年代末,星系調查更加深入,開始揭示星系排列中呈現的模式。除瞭星系團,還有很長、很細的大尺度纖維結構;在宇宙大尺度構造中,還有所謂的“長城”,又稱為“巨墻”,星系和星系團的分佈並不均勻,而是連結成條狀結構,有的甚至長達5億光年,寬3億光年,並且有1500萬光年那麼厚;然後是“空洞”,即纖維狀結構之間的空間,隻包含很少或完全不包含任何星系。天文學傢將所有這一切稱為“宇宙網”。這種模式違反瞭宇宙論原則,因為這意味著宇宙的大片區域看起來與其他大片區域並不一致。
因此,關於宇宙大尺度構造的模式,也許還有更多的故事。
宇宙中的宇宙
一個有趣的觀點來自數學傢、分形之父本華·曼德博(Benoit Mandelbrot)。分形很難定義,但我們憑直覺就能理解:它們是重復的幾何圖案,無論縮放多少倍,其每個部分都(至少近似地)是整體縮放後的形狀。本華·曼德博並沒有發明“分形”這個概念——數學傢們對自相似模式的研究已經有很多年瞭——但他創造瞭“分形”(fractal)這個詞,並引領瞭對這一概念的現代研究。
分形隨處可見。把雪花的一個角放大,你會看到微型雪花;放大樹枝,你會看到微型的樹枝;放大海岸線,你會看到微縮的海岸線。在自然界中,分形在我們的周圍幾乎無處不在,而分形的數學使我們能夠理解宇宙中各種各樣的自相似結構。
本華·曼德博猜測,如果分形無處不在,那麼也許整個宇宙就是一個分形。也許我們看到的星系排列模式是最大分形可能的開端。也許,如果我們對宇宙結構的調查足夠精密,就會發現其中所隱藏的結構——宇宙網中的宇宙網,填滿整個宇宙直到浩瀚界限。
均質性的宇宙尺度
隨著天文學傢對宇宙網的瞭解越來越多,他們對大爆炸的歷史的瞭解也更加深入,並想出瞭各種方法來解釋宇宙中存在的大尺度模式。這些理論預測稱,宇宙仍然是均質的,隻不過是在比天文學傢之前觀察到的大得多的尺度上。
分形宇宙的最終考驗直到本世紀才會到來,屆時真正規模龐大的調查,如斯隆數字巡天(SDSS),將能夠繪制數百萬個星系的位置,繪制出一幅宇宙網的圖像,其規模前所未見。
如果分形宇宙的觀點是正確的,那麼可以想見,我們所處的局部宇宙網絡將嵌在一個更大的宇宙網絡中。如果這一觀點是錯的,那麼在某個臨界點上,宇宙網將不再是一個宇宙網,而是一個隨機的,足夠大的“宇宙塊”,看起來(在統計上)應該就像任何其他隨機的塊。結果就是均質性,隻不過是在一個令人震驚的尺度上。你需要穿過大約3億光年,才會發現宇宙趨於均質。
宇宙絕對不是分形的,但宇宙網的某些部分仍然具有有趣的分形性質。例如,被稱為“暈”的暗物質團承載著星系及星系團,形成嵌套結構和子結構;暗物質暈也包含著次級和次次級的分支結構。
宇宙中的空洞並非完全是空無一物的。它們確實包含少數黯淡的矮星系,而它們就排列在一個精細、稀薄的宇宙網中。在計算機模擬中,這種結構中的亞空洞內部也包含著其自身的宇宙網。
因此,盡管宇宙作為一個整體不是分形的,本華·曼德博的觀點也站不住腳,但我們仍然可以在宇宙中的任何地方觀察到分形。(任天)