據國外媒體報道，天文學(xué)家正在接近一個(gè)古老問(wèn)題的答案。幾十年來(lái)，宇宙學(xué)家一直想知道宇宙的大尺度結構是否是分形的，即無(wú)論在多大的尺度上，宇宙看起來(lái)都具有相似的形狀。在完成了對眾多星系的大規模調查后，科學(xué)家們終于找到了答案：宇宙并不是分形的，但在某種程度上，卻又像是分形的。

　　20世紀初，埃德溫·哈勃率先發(fā)現了我們與仙女座星系（離銀河系最近的星系）之間的巨大距離，天文學(xué)家們也開(kāi)始意識到，宇宙的浩瀚幾乎是無(wú)法想象的。另一方面，天文學(xué)家也觀(guān)測到了散落的星系，遠近都有。于是，一個(gè)問(wèn)題很自然地提了出來(lái)：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(lái)是很隨機的。天文學(xué)家看到了巨大的星系團，每個(gè)星系團包含上千個(gè)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游蕩。從這些觀(guān)測結果來(lái)看，宇宙似乎并沒(méi)有什么普遍性的模式。

　　天文學(xué)家對此并不介意。長(cháng)期以來(lái)，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(zhì)（各處大致相同）和各向同性的（無(wú)論你往哪個(gè)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(gè)原則。

　　但在20世紀70年代末，星系調查更加深入，開(kāi)始揭示星系排列中呈現的模式。除了星系團，還有很長(cháng)、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(cháng)城”，又稱(chēng)為“巨墻”，星系和星系團的分布并不均勻，而是連結成條狀結構，有的甚至長(cháng)達5億光年，寬3億光年，并且有1500萬(wàn)光年那么厚；然后是“空洞”，即纖維狀結構之間的空間，只包含很少或完全不包含任何星系。天文學(xué)家將所有這一切稱(chēng)為“宇宙網(wǎng)”。這種模式違反了宇宙論原則，因為這意味著(zhù)宇宙的大片區域看起來(lái)與其他大片區域并不一致。

　　因此，關(guān)于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(gè)有趣的觀(guān)點(diǎn)來(lái)自數學(xué)家、分形之父本華·曼德博（Benoit Mandelbrot）。分形很難定義，但我們憑直覺(jué)就能理解：它們是重復的幾何圖案，無(wú)論縮放多少倍，其每個(gè)部分都（至少近似地）是整體縮放后的形狀。本華·曼德博并沒(méi)有發(fā)明“分形”這個(gè)概念——數學(xué)家們對自相似模式的研究已經(jīng)有很多年了——但他創(chuàng )造了“分形”（fractal）這個(gè)詞，并引領(lǐng)了對這一概念的現代研究。

　　分形隨處可見(jiàn)。把雪花的一個(gè)角放大，你會(huì )看到微型雪花；放大樹(shù)枝，你會(huì )看到微型的樹(shù)枝；放大海岸線(xiàn)，你會(huì )看到微縮的海岸線(xiàn)。在自然界中，分形在我們的周?chē)鷰缀鯚o(wú)處不在，而分形的數學(xué)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(wú)處不在，那么也許整個(gè)宇宙就是一個(gè)分形。也許我們看到的星系排列模式是最大分形可能的開(kāi)端。也許，如果我們對宇宙結構的調查足夠精密，就會(huì )發(fā)現其中所隱藏的結構——宇宙網(wǎng)中的宇宙網(wǎng)，填滿(mǎn)整個(gè)宇宙直到浩瀚界限。

　　均質(zhì)性的宇宙尺度?

　　隨著(zhù)天文學(xué)家對宇宙網(wǎng)的了解越來(lái)越多，他們對大爆炸的歷史的了解也更加深入，并想出了各種方法來(lái)解釋宇宙中存在的大尺度模式。這些理論預測稱(chēng)，宇宙仍然是均質(zhì)的，只不過(guò)是在比天文學(xué)家之前觀(guān)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(huì )到來(lái)，屆時(shí)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(wàn)個(gè)星系的位置，繪制出一幅宇宙網(wǎng)的圖像，其規模前所未見(jiàn)。

　　如果分形宇宙的觀(guān)點(diǎn)是正確的，那么可以想見(jiàn)，我們所處的局部宇宙網(wǎng)絡(luò )將嵌在一個(gè)更大的宇宙網(wǎng)絡(luò )中。如果這一觀(guān)點(diǎn)是錯的，那么在某個(gè)臨界點(diǎn)上，宇宙網(wǎng)將不再是一個(gè)宇宙網(wǎng)，而是一個(gè)隨機的，足夠大的“宇宙塊”，看起來(lái)（在統計上）應該就像任何其他隨機的塊。結果就是均質(zhì)性，只不過(guò)是在一個(gè)令人震驚的尺度上。你需要穿過(guò)大約3億光年，才會(huì )發(fā)現宇宙趨于均質(zhì)。

　　宇宙絕對不是分形的，但宇宙網(wǎng)的某些部分仍然具有有趣的分形性質(zhì)。例如，被稱(chēng)為“暈”的暗物質(zhì)團承載著(zhù)星系及星系團，形成嵌套結構和子結構；暗物質(zhì)暈也包含著(zhù)次級和次次級的分支結構。

　　宇宙中的空洞并非完全是空無(wú)一物的。它們確實(shí)包含少數黯淡的矮星系，而它們就排列在一個(gè)精細、稀薄的宇宙網(wǎng)中。在計算機模擬中，這種結構中的亞空洞內部也包含著(zhù)其自身的宇宙網(wǎng)。

　　因此，盡管宇宙作為一個(gè)整體不是分形的，本華·曼德博的觀(guān)點(diǎn)也站不住腳，但我們仍然可以在宇宙中的任何地方觀(guān)察到分形。（任天）

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