仉博簡(jiǎn)

宇宙中存在大結(jié)構(gòu)，是因?yàn)橛钪嬷膺€有其他宇宙？

一個(gè)超大的空洞，坐落在數(shù)不盡的星系之中；許多個(gè)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(gè)圈，橫跨了可觀測(cè)宇宙6%的范圍……隨著觀測(cè)能力的提高，天文學(xué)家開始在宇宙中識(shí)別出了許多巨大的結(jié)構(gòu)。

但這里有一個(gè)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(gè)地方十分特別。當(dāng)然，你可以說，這里有個(gè)太陽(yáng)系，那里有個(gè)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(gè)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(cè)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(gè)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(gè)空洞來說吧。這個(gè)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(gè)空洞的直徑近20億光年。于是，天文學(xué)家把這個(gè)巨大的空洞稱之為超級(jí)空洞。不過，超級(jí)空洞并不是完全空無(wú)一物。觀測(cè)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(jí)空洞可能與宇宙微波背景中的一個(gè)巨大的冷斑有關(guān)。在這個(gè)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(gè)空洞。但也許，它們之間并沒有什么聯(lián)系。

超級(jí)空洞只是其中的一個(gè)例子。2012年，英國(guó)天文學(xué)家還發(fā)現(xiàn)了一個(gè)跨越約40億光年的結(jié)構(gòu)，差不多是超級(jí)空洞的兩倍。但這個(gè)結(jié)構(gòu)不是什么空洞，而是由73個(gè)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(dòng)星系核，早在20世紀(jì)80年代初期，天文學(xué)家就觀測(cè)到了類星體。但是觀測(cè)到很多個(gè)類星體聚在一起，這還是頭一次。天文學(xué)家把這個(gè)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(gè)由9個(gè)伽馬射線暴構(gòu)成的環(huán)形結(jié)構(gòu)。這個(gè)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(gè)可觀測(cè)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(shí)間內(nèi)突然增強(qiáng)又迅速減弱的現(xiàn)象。觀測(cè)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(gè)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(huì)使得用愛因斯坦的廣義相對(duì)論來分析宇宙演化，變成了一件不可能的任務(wù)。因?yàn)椋钪嫒绻皇蔷鶆虻?，那么用愛因斯坦的方程來分析宇宙?huì)變得超級(jí)麻煩。

如果宇宙是張膜

許多天文學(xué)家對(duì)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(gè)十分另類的解釋。他認(rèn)為宇宙學(xué)原理是成立的，因?yàn)檫@些龐然大物不是真實(shí)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(shí)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(gè)堅(jiān)實(shí)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(gè)最主要的理論——廣義相對(duì)論和量子力學(xué)結(jié)合起來。廣義相對(duì)論描述的是很大時(shí)空下的理論，而量子力學(xué)描述的是很小時(shí)空下的理論，如果能把它們結(jié)合起來，那么就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)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(gè)很流行的候選理論是弦理論，認(rèn)為粒子都是由振動(dòng)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?yàn)槠渌臻g維度緊縮到了很小的尺度里，無(wú)法直接觀測(cè)到。弦理論雖然成功地把廣義相對(duì)論和量子力學(xué)結(jié)合起來，但缺乏實(shí)驗(yàn)證據(jù)的支持。主要的原因是，弦理論無(wú)法提出任何可檢驗(yàn)的預(yù)測(cè)。

迪克研究的是弦理論中的一個(gè)拓展理論，叫做膜理論。他認(rèn)為，膜理論能提供一個(gè)可檢驗(yàn)的預(yù)測(cè)，同時(shí)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(shí)空中。這說明，膜理論中的高維時(shí)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(duì)應(yīng)著其他的宇宙，但我們被限制在自己膜宇宙中，無(wú)法直接觀測(cè)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(huì)帶來一些可觀測(cè)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(cè)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(huì)遠(yuǎn)離我們，而且離我們?cè)竭h(yuǎn)，退離我們的速度就越快。這樣，天體產(chǎn)生的光就會(huì)被拉長(zhǎng)，光譜中的譜線就會(huì)朝紅端移動(dòng)，而且天體越遙遠(yuǎn)，紅移越嚴(yán)重。美國(guó)天文學(xué)家愛德文·哈勃首先發(fā)現(xiàn)了這個(gè)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(cè)量天體的紅移值來計(jì)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(huì)認(rèn)為這些天體大致處在同一個(gè)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(gè)膜與我們自己的膜在某些地方發(fā)生重疊的話，會(huì)影響我們測(cè)得的紅移值。在膜重疊區(qū)域，一個(gè)膜上的光子會(huì)受到來自另一個(gè)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(huì)改變重疊區(qū)域內(nèi)氫原子的能級(jí)。電子從一個(gè)高能級(jí)躍遷到低能級(jí)時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)光子，但如果膜串?dāng)_縮小了兩個(gè)相鄰能級(jí)的能量差值，那么產(chǎn)生的光子會(huì)比原來的波長(zhǎng)更長(zhǎng)。

如果不考慮膜串?dāng)_現(xiàn)象，天文學(xué)家觀測(cè)重疊區(qū)域的天體時(shí)，測(cè)得的紅移值會(huì)比真實(shí)的更大，會(huì)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(huì)空蕩蕩的，而后面的區(qū)域里看起來反而更加擁擠。這些錯(cuò)覺，就可能被我們當(dāng)成某種大結(jié)構(gòu)。迪克認(rèn)為，超級(jí)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(gè)優(yōu)勢(shì)，就是它可以通過觀測(cè)來驗(yàn)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(duì)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(guó)阿帕契點(diǎn)天文臺(tái)正利用一臺(tái)2.5米口徑天文望遠(yuǎn)鏡，進(jìn)行一項(xiàng)名為“斯隆數(shù)字巡天”的觀測(cè)項(xiàng)目，可詳細(xì)測(cè)量35%的天空中數(shù)百萬(wàn)個(gè)天體的光度、紅移等光學(xué)數(shù)據(jù)。迪克正計(jì)劃在它的數(shù)據(jù)庫(kù)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(gè)發(fā)現(xiàn)將成為天文學(xué)史上最重要的發(fā)現(xiàn)。因?yàn)樗粌H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(gè)。