仉博簡

宇宙中存在大結(jié)構(gòu)，是因為宇宙之外還有其他宇宙？

一個超大的空洞，坐落在數(shù)不盡的星系之中；許多個類星體聚集在一起，橫跨了數(shù)十億光年；許多伽馬射線暴構(gòu)成了一個圈，橫跨了可觀測宇宙6%的范圍……隨著觀測能力的提高，天文學(xué)家開始在宇宙中識別出了許多巨大的結(jié)構(gòu)。

但這里有一個問題：它們本應(yīng)該都不存在！

自從哥白尼提出了日心說以后，大家才明白，地球在宇宙中的位置沒什么特別之處。之后，天文學(xué)家還把這種思想演變?yōu)橛钪鎸W(xué)原理，即認(rèn)為宇宙中沒有哪個地方十分特別。當(dāng)然，你可以說，這里有個太陽系，那里有個仙女座星系，不過如果從很大的范圍來看，宇宙應(yīng)該是均勻的，每個地方看起來都一樣，沒有什么超大的空洞、類星體群等大結(jié)構(gòu)。根據(jù)最新的觀測數(shù)據(jù)，天文學(xué)家認(rèn)為宇宙學(xué)原理適用于大約12億光年及以上的尺度。

雖然宇宙學(xué)原理目前仍是一個假設(shè)，但已被多數(shù)天文學(xué)家所接受。然而，隨著許多宇宙大結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)，宇宙學(xué)原理似乎開始站不住腳了。

宇宙中的龐然大物

就拿本文開頭提到的那個空洞來說吧。這個空洞位于南半球天空區(qū)域，距離地球約30億光年遠(yuǎn)，但這個空洞的直徑近20億光年。于是，天文學(xué)家把這個巨大的空洞稱之為超級空洞。不過，超級空洞并不是完全空無一物。觀測表明，它里面的星系密度比其他區(qū)域要少大約30%。一些天文學(xué)家相信，超級空洞可能與宇宙微波背景中的一個巨大的冷斑有關(guān)。在這個冷斑中，宇宙微波背景輻射的溫度比其他區(qū)域略低一些，看起來也像一個空洞。但也許，它們之間并沒有什么聯(lián)系。

超級空洞只是其中的一個例子。2012年，英國天文學(xué)家還發(fā)現(xiàn)了一個跨越約40億光年的結(jié)構(gòu)，差不多是超級空洞的兩倍。但這個結(jié)構(gòu)不是什么空洞，而是由73個聚集在一起的類星體構(gòu)成的。類星體是一種離我們十分遠(yuǎn)的、能量極高的活動星系核，早在20世紀(jì)80年代初期，天文學(xué)家就觀測到了類星體。但是觀測到很多個類星體聚在一起，這還是頭一次。天文學(xué)家把這個結(jié)構(gòu)稱之為超大類星體群。

2015年，匈牙利天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)在離我們大約70億光年遠(yuǎn)的區(qū)域里，出現(xiàn)了一個由9個伽馬射線暴構(gòu)成的環(huán)形結(jié)構(gòu)。這個伽馬射線暴環(huán)十分巨大，跨度約為56億光年，它大約占了整個可觀測宇宙大小的6%。伽馬射線暴是來自天空某處的伽瑪射線強(qiáng)度短時間內(nèi)突然增強(qiáng)又迅速減弱的現(xiàn)象。觀測數(shù)據(jù)表明，伽瑪射線暴幾乎每天都在發(fā)生，而且發(fā)生的地方是隨機(jī)的。但是許多伽馬射線暴構(gòu)成一個巨大的環(huán)形結(jié)構(gòu)，這就太不尋常了。根據(jù)宇宙學(xué)原理，宇宙的空間是均勻的，而這么大的結(jié)構(gòu)，很顯然是不符合宇宙學(xué)原理的。

除了這些以外，還有很多新發(fā)現(xiàn)的宇宙大結(jié)構(gòu)（詳見《大科技》2016.05A～06A上連載的《宇宙十大“巨獸”》）。這些宇宙“巨獸”是現(xiàn)代宇宙學(xué)的詛咒，會使得用愛因斯坦的廣義相對論來分析宇宙演化，變成了一件不可能的任務(wù)。因為，宇宙如果不是均勻的，那么用愛因斯坦的方程來分析宇宙會變得超級麻煩。

如果宇宙是張膜

許多天文學(xué)家對這些發(fā)現(xiàn)十分懷疑，并提出了很多種解釋，來維護(hù)宇宙學(xué)原理。比如，一些天文學(xué)家認(rèn)為，某些大結(jié)構(gòu)可能純粹是隨機(jī)出現(xiàn)的而已。

來自加拿大薩斯喀徹溫大學(xué)的物理學(xué)家萊納·迪克，卻提出了一個十分另類的解釋。他認(rèn)為宇宙學(xué)原理是成立的，因為這些龐然大物不是真實存在的——它們不過是其他維度上的宇宙作用到我們宇宙上時產(chǎn)生的一種假象。

迪克的提議看起來很大膽，但它是建立在一個堅實的理論工作之上的。首先，引進(jìn)其他的維度來解決問題，并不是什么新鮮事。幾十年來，許多理論學(xué)家發(fā)現(xiàn)，假設(shè)額外維度的存在，那么他們就能很容易地把物理學(xué)兩個最主要的理論——廣義相對論和量子力學(xué)結(jié)合起來。廣義相對論描述的是很大時空下的理論，而量子力學(xué)描述的是很小時空下的理論，如果能把它們結(jié)合起來，那么就會產(chǎn)生一個能放之四海而皆準(zhǔn)的終極理論。

終極理論有很多種候選理論。一個很流行的候選理論是弦理論，認(rèn)為粒子都是由振動中的能量弦構(gòu)成的。它還認(rèn)為，空間有更多的維度，維度應(yīng)該是9維或10維的，我們只能感受到3維空間，是因為其他空間維度緊縮到了很小的尺度里，無法直接觀測到。弦理論雖然成功地把廣義相對論和量子力學(xué)結(jié)合起來，但缺乏實驗證據(jù)的支持。主要的原因是，弦理論無法提出任何可檢驗的預(yù)測。

迪克研究的是弦理論中的一個拓展理論，叫做膜理論。他認(rèn)為，膜理論能提供一個可檢驗的預(yù)測，同時還能解決宇宙學(xué)原理問題。

膜理論的基本內(nèi)容是，我們的宇宙如同一張四維的薄膜，與其他類似的膜一起漂浮在巨大的有著更高維度的時空中。這說明，膜理論中的高維時空很大，而不像弦理論中那樣，被緊縮到了很小的地方。其他的膜對應(yīng)著其他的宇宙，但我們被限制在自己膜宇宙中，無法直接觀測到其他的膜。但膜理論認(rèn)為，兩張相鄰的膜可以在某些地方發(fā)生重疊，這就會帶來一些可觀測的影響。

來自膜的串?dāng)_

為了理解膜理論是怎么解決宇宙學(xué)原理問題的，首先我們得了解一下測量遙遠(yuǎn)天體距離的方法。

我們知道宇宙在膨脹，遙遠(yuǎn)的天體都會遠(yuǎn)離我們，而且離我們越遠(yuǎn)，退離我們的速度就越快。這樣，天體產(chǎn)生的光就會被拉長，光譜中的譜線就會朝紅端移動，而且天體越遙遠(yuǎn)，紅移越嚴(yán)重。美國天文學(xué)家愛德文·哈勃首先發(fā)現(xiàn)了這個現(xiàn)象，并在1929年提出了哈勃定律，認(rèn)為來自遙遠(yuǎn)天體的紅移大小與它們的距離成正比。于是，天文學(xué)家可以通過測量天體的紅移值來計算出天體的距離。

如果天文學(xué)家看到許多天體都有著相同的紅移值，那么他們就會認(rèn)為這些天體大致處在同一個區(qū)域，可以組成某種結(jié)構(gòu)，比如超大類星體群或伽馬射線暴環(huán)等。

迪克認(rèn)為，如果另一個膜與我們自己的膜在某些地方發(fā)生重疊的話，會影響我們測得的紅移值。在膜重疊區(qū)域，一個膜上的光子會受到來自另一個膜上的帶電粒子產(chǎn)生的作用力，迪克把這種現(xiàn)象稱為膜串?dāng)_現(xiàn)象。經(jīng)過分析，迪克發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象會改變重疊區(qū)域內(nèi)氫原子的能級。電子從一個高能級躍遷到低能級時會產(chǎn)生一個光子，但如果膜串?dāng)_縮小了兩個相鄰能級的能量差值，那么產(chǎn)生的光子會比原來的波長更長。

如果不考慮膜串?dāng)_現(xiàn)象，天文學(xué)家觀測重疊區(qū)域的天體時，測得的紅移值會比真實的更大，會被誤認(rèn)為處在離我們更遠(yuǎn)的區(qū)域。這樣，重疊區(qū)域看起來就會空蕩蕩的，而后面的區(qū)域里看起來反而更加擁擠。這些錯覺，就可能被我們當(dāng)成某種大結(jié)構(gòu)。迪克認(rèn)為，超級巨洞、超大類星體群、伽馬線暴環(huán)以及其他的宇宙大結(jié)構(gòu)，可能都是由膜串?dāng)_現(xiàn)象產(chǎn)生的。

當(dāng)然，一切都還沒有定論。迪克的理論只是眾多解釋中的一種。不過迪克的理論有一個優(yōu)勢，就是它可以通過觀測來驗證。比如，如果可以去尋找天空中存在密集區(qū)域與空曠區(qū)域相鄰的地方，然后仔細(xì)核對那里天體的紅移值，從中就可能找出一些蛛絲馬跡。

目前，美國阿帕契點天文臺正利用一臺2.5米口徑天文望遠(yuǎn)鏡，進(jìn)行一項名為“斯隆數(shù)字巡天”的觀測項目，可詳細(xì)測量35%的天空中數(shù)百萬個天體的光度、紅移等光學(xué)數(shù)據(jù)。迪克正計劃在它的數(shù)據(jù)庫里搜尋可以支持他的理論的紅移數(shù)據(jù)。如果他找到了確鑿的證據(jù)，那么這個發(fā)現(xiàn)將成為天文學(xué)史上最重要的發(fā)現(xiàn)。因為它不僅解決了宇宙學(xué)原理問題，它還能表明我們的宇宙并不是唯一的一個。