是什麼讓宇宙看起來「不均一

　　時間: 2018年09月11日 | 作者: Admin | 來源: 環球科學（huanqiukexue.com）

       根據宇宙學原理，儘管宇宙中存在大量星系、星系團等結構，但在10億光年的大尺度上，宇宙應該是均一的。然而，陸續湧現的天文學觀測卻向其提出了挑戰。

　　

　　巨型結構挑戰宇宙學原理？

　　地球在宇宙中的位置並不特殊。這一觀點經哥白尼提出后，已經成了天文學家的基本共識。此後，天文學家該原理的適用範圍延伸至整個宇宙：宇宙中沒有任何特殊的位置，這也被稱作宇宙學原理。在恆星系統、星系和星系團層面上或許有一些不均勻的地方，但是在更大的尺度上，宇宙應該是均一的。宇宙中不應該有星系構成的巨大的牆，不應該有空蕩蕩的地方，也不應該出現巨大的結構。

　　因此，最近湧現出的發現搞得天文學家們有點緊張。但是解決方法也同樣充滿爭議。有研究者宣稱這些巨大的結構是另一個維度的投影。如果他是對的，我們將能夠首次證實，在我們的宇宙之外還有另一個宇宙存在。而且由於這些巨大的結構並不是我們宇宙中的實體，宇宙學原理也依然成立。

　　宇宙中存在特殊區域的想法是為現代宇宙學所不容的。英國朴茨茅斯大學宇宙學家Seshadri Nadathur說：「自文藝復興以來，我們所有的工作都是反對這一想法的。」這一觀點也使得用廣義相對論來解釋宇宙演化的任務變得更加複雜。「愛因斯坦方程在宇宙均一的前提下好解多了。」Nadathur說。但至少目前，宇宙學原理還僅僅是一種猜想。沒有任何證據表明這是對的，而已有的證據似乎越來越多地反對這一觀點。

　　就拿那個20億光年寬的巨型空洞來說，它的發現者之一，西班牙巴塞羅那高能物理研究所的András Kovács說：「那部分宇宙的星係數目比平均值要少10000個。」根據最新的數據，天文學家相信宇宙學原理在大約十億光年的尺度下一定是對的。在這一尺度下，任意給定區域的物質多少都是相近的。這個巨洞的寬度幾乎超過這一界限一倍，看起來十分顯眼。Kovács團隊稱這個洞為超巨洞，並相信這個洞有可能解釋宇宙微波背景輻射中巨大的冷斑，一個困擾天文學家十幾年的問題。

　　超巨洞還不算是最大的問題。2012年，英國中央蘭開夏大學的Roger Clowes團隊宣布發現了一個40億光年長的巨大線狀結構，比超巨洞還要大一倍多。「我們當時想『這是什麼？』很明顯那是非常不尋常的東西。」Clowes說。這一次並不是空間中有一個空洞，而是有的位置異常擁擠。這一結構被稱作巨型超大類星體群，包含73個類星體（類星體是指非常遙遠，極度明亮的活動星系核）。天文學家在20世紀80年代早期就知道類星體總是聚在一起，但是尺度如此巨大的類星體群還前所未有。

　　

　　圖中的黑色圓圈為觀測到的巨型超大類星體群。

　　2015年，匈牙利的天文學研究團隊發現了一個巨大的伽馬射線暴（GRB）群，伽馬射線暴即為由遙遠星系發出，能量極高、壽命短暫的能量爆發。發射GRB的星系看起來組成了一個直徑達56億光年的圓環，佔據了6%的可觀測宇宙。「我們真的沒有預料到會發現這麼大的結構，」來自匈牙利康科利天文台，領導這項研究的Lajos Balázs說。這個尺度比宇宙學原理預言的宇宙應該呈現均一結構的尺度還要大五倍。

　　宇宙學原理在我們對於宇宙的理解中佔據了非常基本的位置，所以這樣明顯的反例讓天文學家和宇宙學家都很不舒服，甚至這些現象的發現者也不例外。談到構成GRB大環的強烈閃光時，有人認為其周圍可能存在其他星系，這些星系的光因為沒有GRB而顯得沒那麼亮。這就像一間黑屋子中均勻分佈著電燈泡，而如果只有一部分是亮的，你就有可能對燈泡的分佈得出錯誤的結論。「這個大環並不一定違反了宇宙學原理。」 Balázs說。

　　

　　圖片來源：ESO/M. Kornmesser

　　重合的宇宙膜

　　巨型超大類星體群同樣引起了激烈的爭辯。「我認為這根本不是什麼結構。」Nadathur說。2013年，他發表了一篇研究Clowes團隊數據分析演演算法的論文，計算了隨機分佈的類星體在這種演演算法下形成結構的可能。他說：「即使什麼都沒有，用他們的演演算法也很可能看到某些結構。」但是類星體群的存在也並未因此被直接否認。

　　Nadathur認為超巨洞和類星體群一樣，都是可以和宇宙學原理兼容的。他說：「該原理並沒有說不能出現漲落，只是說在大尺度上宇宙應該是均一的。」簡單地說，就是超巨洞這樣的結構並不是不可能出現，只是不會有太多。

　　但是薩斯喀徹溫大學理論物理學家Rainer Dick認為，這種忽視宇宙巨型結構的做法是不對的。事實上，他認為接受這些結構才能更好地維護宇宙學原理。相反，這是其他維度侵入我們維度的第一手證據，我們原本平滑均一的宇宙正是因為其他維度的入侵才有了這些異常的現象。

　　這個提議似乎膽大包天，但是它是基於堅實的理論基礎提出的。一方面，我們所處維度之外的維度並不是什麼新事物。幾十年來，許多理論學家都將額外維度的存在視為統一廣義相對論和量子力學的最大希望。這兩個理論共同構成了20世紀物理學的基礎，前者處理的是尺度很大的物體，後者處理尺度很小的物體。如果將這兩種完全不同的理論結合，就會得到足以囊括宇宙萬物的萬有理論。

　　由弦論延伸出來的M理論是萬有理論的候選者之一，它認為我們生活在11維的宇宙中，其中有7個維度都緊緊捲曲起來，以至於我們無法看到。M理論十分優雅，數學上也頗具吸引力，有許多影響力很大的支持者。但是M理論有一個巨大缺陷：沒有辦法做出準確的預測，所以也就沒有辦法證明它是對的。Dick的工作將弦論拓展為了膜理論，而膜理論或許可以做出預言，也可能解決宇宙學原理的問題。

　　膜理論的核心思想是，我們的宇宙是一層四維的膜，這層膜漂浮在額外的維度中，這些額外維度里也有許許多多相似的膜。這樣的想法和我們已有的引力理論並不矛盾，Dick說，因為「你可以加入無限多的額外維度，但最終仍然可以得到廣義相對論」。

　　儘管其餘的膜因為佔據額外的維度而無法直接觀測，但膜理論認為我們或許可以觀測到相鄰的膜和我們的膜重合時產生的效應。

　　那麼這對於宇宙學原理的問題有什麼幫助呢？為了測量遙遠物體的距離，天文學家利用了紅移效應。他們利用分光計將物體發出的光分解得到光譜線。任何遠離我們的物體的光波波長，都會由於宇宙膨脹而拉長，變得更紅，所以光譜線也就會向光譜的紅端移動。物體的距離越遠，遠離我們的速度就越快，譜線就移動得越多。如果天文學家看到許多物體都有同樣的紅移，那麼就會將它們認定為某種結構，比如GRB大環和巨型超大類星體群。

　　

　　但是，在膜交界的區域，我們對紅移的測量就有可能出現偏差。在這些情況下，一層膜的光子會對另一層膜的帶電粒子施加力的作用，這種現象被Dick稱為膜串擾。他說：「這將改變重合區域氫原子能級間的距離。」在這些能級間運動的電子釋放或吸收光子，產生譜線，我們又依靠這些譜線確定它們和地球的距離。

　　

　　但是如果膜串擾使能級間距縮緊，產生光子的波長就會稍稍變長，這會產生和宇宙膨脹無關的紅移。如果你沒能考慮到這一點，認為紅移都是由距離產生的，那你計算得到的距離實際上是偏大的，這樣一來，一些原本有物體的地方就什麼都看不到了。

　　重新認識宇宙？

　　如果這個模型是對的，膜重疊的區域將會產生紅移相同、看起來堆在一起的物體，同時產生看起來沒有物體的區域，那麼這就會讓我們認為原本均勻平滑的宇宙出現巨型結構和巨洞。這個理論可以同時解決類星體群、GRB大環和超巨洞三個問題，Dick說：「這些結構都和膜串擾的可能結果吻合。」

　　當然，事情一般不會這麼簡單。紐約州立大學科特蘭分校的Moataz Emam說：「要讓這一切發生需要很多條件，有的條件看起來很難滿足。」Emam同時指出，Dick的理論中一些關於引力的假設以前曾經遭到猛烈的批評，尤其是一些研究弦論的理論工作者認為其與計算結果不符。「但是他的模型確實是可以檢驗的。」他說。

　　Emam稱，觀測天空中天體密集區域和稀疏區域相連的地方，可能會提供必要的證據。考慮到所有巨型結構的紅移偏差都是相同的，膜重合的理論可能確實說得通。

　　斯隆數字巡天（SDSS）提供了有史以來最詳盡的宇宙三維圖像，在它的幫助下，Dick正計劃搜索資料庫來得到支持自己理論的數據。他說：「這將會成為平行宇宙存在的堅實證據。」這樣的發現不但會解決天文學觀測中最複雜的問題，也會給弦論一個實驗基礎。

　　但是他消除宇宙中最大的物體的要求，或許會導致新的困難出現。比如我們宇宙之外的膜，將挑戰我們對自身在宇宙中的地位的認知，並使宇宙均一性的概念變得毫無意義。在包含有很多膜的廣闊宇宙中，宇宙學原理或許根本不值得保留。

　　撰文 | Colin Stuart

　　翻譯 | 劉博堯

　　審校 | 吳非