在充滿宇宙的星系網(wǎng)中有一個(gè)巨大的空洞;一根由類星體構(gòu)成的巨弦可以跨越數(shù)百億光年;一個(gè)由劇烈爆發(fā)構(gòu)成的環(huán)形占據(jù)了可見宇宙的6%……隨著觀測(cè)宇宙的能力日益強(qiáng)大，天文學(xué)家開始識(shí)別出比此前已知的更為巨大的結(jié)構(gòu)?？墒?，它們中任何一個(gè)都不應(yīng)該存在于那里。

自從哥白尼提出了他的革命思想，即地球在群星之間并沒有什么特別的地方，天文學(xué)家就把它視為根本。宇宙學(xué)原理則更進(jìn)了一步，認(rèn)為宇宙中沒有任何地方是特殊的。當(dāng)然，在局部上可以存在不同等級(jí)的系統(tǒng)，例如太陽系、星系和星系團(tuán)，但當(dāng)你進(jìn)入更大的尺度，宇宙就應(yīng)該表現(xiàn)出均勻性，且各向同性，沒有巨大的星系壁，沒有巨大的空洞，也沒有巨大的結(jié)構(gòu)。

一個(gè)由美國和匈牙利科學(xué)家組成的小組發(fā)現(xiàn)了由9個(gè)伽馬射線暴組成的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，跨度達(dá)50億光年。伽馬射線暴的分布如上國藍(lán)點(diǎn)所示。

這就難怪這些接二連三的最新發(fā)現(xiàn)讓宇宙學(xué)家火冒三丈了。然而，對(duì)這個(gè)問題的解答也同樣充滿了爭議。有人提出，這些大質(zhì)量的結(jié)構(gòu)是另一個(gè)維度投影出的幻象，是存在我們自身之外的現(xiàn)實(shí)的第一個(gè)誘人證據(jù)。如果是這樣，那么這些龐然大物就并非是存在于我們宇宙中的物理實(shí)體，宇宙學(xué)原理依然適用。

在現(xiàn)代宇宙學(xué)中有一個(gè)魔咒，它就是宇宙中的“受青睞區(qū)域”。自文藝復(fù)興以來，所有的科學(xué)想法都一直在反對(duì)這個(gè)概念?！笆芮嗖A區(qū)域”會(huì)使得用愛因斯坦的廣義相對(duì)論來研究引力在宇宙演化中的作用變得更加困難。如果你假設(shè)宇宙幾乎是均勻的，那么求解愛因斯坦方程就會(huì)容易得多。不過目前，宇宙學(xué)原理僅僅是一個(gè)假設(shè)。沒有具體的證據(jù)能佐證它是正確的，反倒是有越來越多的證據(jù)來否定它。

斯隆數(shù)字巡天繪制的宇宙三維圖

以之前提到的宇宙巨洞為例，它的直徑達(dá)到了近20億光年。相比于宇宙中星系的平均密度，這個(gè)巨洞中的星系數(shù)量少了約10000個(gè)。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)原理只有在約 10 億光年的尺度及以上才成立。此時(shí)，對(duì)于任意給定的體積，其中物質(zhì)的平均總質(zhì)量才基本相等。然而，存在一個(gè)比這一尺度還要大一倍的巨洞著實(shí)讓整個(gè)畫面顯得突兀。10 多年前，天文學(xué)家在宇宙微波背景中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)巨大的低溫斑塊，這個(gè)超巨洞興許可以解釋這個(gè)現(xiàn)象。

然而，超巨洞其實(shí)還不算大。早在2012年，就有天文學(xué)家團(tuán)隊(duì)宣布發(fā)現(xiàn)了跨度超過40億光年的巨大結(jié)構(gòu)，其大小是超巨洞的2倍。那會(huì)是什么東西？顯然，它肯定很不尋常。然而，這一次它并不是太空中一片空無一物的區(qū)域，反而特別擁擠，被稱為巨類星體群。它包含有73個(gè)類星體——非常遙遠(yuǎn)的星系的明亮活躍中心區(qū)。20世紀(jì)80年代初，天文學(xué)家就已經(jīng)知道，類星體有聚集在一起的趨勢(shì)，但在此之前還從來沒有發(fā)現(xiàn)它們會(huì)在這么大的尺度上成群。

2015年年初，另一個(gè)天文學(xué)家團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)巨大的伽馬射線暴群。伽馬射線暴是發(fā)生在遙遠(yuǎn)星系中的短暫高能爆發(fā)現(xiàn)象。發(fā)生這些伽馬射線暴的星系看上去似乎形成了一個(gè)直徑達(dá)50億光年的環(huán)形，占據(jù)了整個(gè)可觀測(cè)宇宙的6%。天文學(xué)家并沒有想到會(huì)發(fā)現(xiàn)這么大的結(jié)構(gòu)。它的大小是宇宙學(xué)原理成立尺度的5倍。

宇宙學(xué)原理是我們認(rèn)識(shí)宇宙的根本基礎(chǔ)，因此，這些有違宇宙學(xué)原理的現(xiàn)象深深地讓天文學(xué)家和宇宙學(xué)家感到不安，即使這些現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)者也是如此。例如，由伽馬射線暴組成的環(huán)形，有一種可能性是它們被其他星系包圍著，由于這些星系過暗而沒有被看到。這就像在一個(gè)黑暗的房間中均勻地放置著燈泡，當(dāng)你走進(jìn)房間時(shí)，僅有幾只被點(diǎn)亮了，那么你很可能會(huì)就燈泡的分布得出錯(cuò)誤的結(jié)論。這并不一定會(huì)破壞宇宙學(xué)原理。

調(diào)和矛盾

巨大的類星體群也引發(fā)了激烈的爭論。有天文學(xué)家認(rèn)為，它并非是一個(gè)真正的結(jié)構(gòu)。2013年發(fā)表的一篇論文對(duì)發(fā)現(xiàn)這一結(jié)構(gòu)的算法和數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，計(jì)算了隨機(jī)分布的類星體呈現(xiàn)出結(jié)構(gòu)的概率。結(jié)果顯示，這個(gè)概率相當(dāng)高。不過，現(xiàn)在就下結(jié)論還太早。該類星體群的發(fā)現(xiàn)者認(rèn)為，這一反對(duì)意見“保守且不現(xiàn)實(shí)”。他們認(rèn)為，與模擬隨機(jī)分布不同，所有的反對(duì)者應(yīng)注意到一個(gè)事實(shí)，即這些類星體都擁擠在約3億光年的尺度之內(nèi)。

和類星體群一樣，超巨洞也被認(rèn)為可以與宇宙學(xué)原理相調(diào)和。宇宙學(xué)原理并沒有說不允許任何地方出現(xiàn)漲落，而是說宇宙在大尺度上的平均意義下是均勻的?？傊?，發(fā)現(xiàn)類似超巨洞這樣的結(jié)構(gòu)的概率并非為零，但數(shù)量不會(huì)很多。

宇宙微波背景輻射（CMB）

然而，也有理論物理學(xué)家認(rèn)為，無視這些宇宙巨型結(jié)構(gòu)的做法也許是錯(cuò)誤的。事實(shí)上，在宇宙學(xué)原理依然成立的情況下，它們?nèi)阅艽嬖?。我們要做的就是認(rèn)為它們實(shí)際上并不存在。相反，它們其實(shí)是其他維度侵入我們宇宙的首批證據(jù)，是在我們均勻光滑的宇宙背景上留下的痕跡。

這似乎是一個(gè)驚人的大膽建議，建立在堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)上。一方面，超越四維時(shí)空的額外維度并非是什么新鮮事。幾十年來，許多理論物理學(xué)家認(rèn)為，額外維度的存在是我們調(diào)和愛因斯坦的廣義相對(duì)論和20世紀(jì)物理學(xué)另一個(gè)成就——量子理論——的最大希望。前者描繪的是大尺度上的現(xiàn)象，后者描述的是微觀世界。這兩個(gè)看似完全不同的概念的聯(lián)姻會(huì)催生出一個(gè)可以描述宇宙各個(gè)尺度的理論，它常被稱為“終極理論”或“萬物理論”。

一個(gè)熱門的候選者是M理論，它是弦理論的一個(gè)擴(kuò)展。M理論認(rèn)為，我們生活在一個(gè)十一維的宇宙中，其他的7個(gè)維度緊緊地蜷縮在一起而無法被觀測(cè)到。這是一個(gè)優(yōu)雅且在數(shù)學(xué)上吸引人的框架，有一批有影響的支持者。但它也有一個(gè)重大缺陷：缺乏可以用來檢驗(yàn)的堅(jiān)實(shí)預(yù)言。弦理論的另一個(gè)延伸——膜理論，也許可以做到這一點(diǎn)，并就此解決宇宙學(xué)原理的困境。

膜理論的核心思想是，我們所知的宇宙是一張飄浮在更高維時(shí)空中的四維膜，在這個(gè)更高維的時(shí)空中還存在其他的膜。這樣的想法可以與現(xiàn)有的引力理論相一致。事實(shí)上，即使是有無窮多個(gè)額外維度，你仍然可以回到廣義相對(duì)論。

雖然其他的膜也占據(jù)著額外維度，但它們無法被直接探測(cè)到。該理論認(rèn)為，我們也許只能探測(cè)到當(dāng)鄰近的膜與我們所在的膜重疊時(shí)出現(xiàn)的效應(yīng)。

多重宇宙想象圖

宇宙間的重疊

那么，這對(duì)解決宇宙學(xué)原理的問題有什么幫助呢？為了測(cè)量遙遠(yuǎn)天體的距離，天文學(xué)家利用一種效應(yīng)，被稱為紅移。天文學(xué)家可以使用分光計(jì)分解天體發(fā)出的光，分析其光譜。由于宇宙的膨脹，正在遠(yuǎn)離我們的任何天體發(fā)出的光都會(huì)被拉長，其譜線就會(huì)向光譜的紅端移動(dòng)。距離我們?cè)竭h(yuǎn)的天體，其退行的速度就越快，其紅移的量就越大。如果天文學(xué)家看到許多天體都具有相同的紅移，會(huì)將此解釋成某種形式的結(jié)構(gòu)，就像伽馬射線暴環(huán)或者是巨類星體群。當(dāng)有另一個(gè)膜與我們自己的重疊時(shí)，一個(gè)膜中的光子會(huì)對(duì)另一個(gè)膜中的帶電粒子施加一個(gè)作用力，會(huì)改變氫原子能級(jí)間的距離。當(dāng)電子在這些能級(jí)之間躍遷時(shí)，它們會(huì)發(fā)射或吸收光子，產(chǎn)生我們用來測(cè)量距離的譜線，而這些譜線可能是扭曲的。

如果膜的重疊使得能級(jí)間距縮小，發(fā)射出的光子的波長就會(huì)變長，而這個(gè)紅移量和宇宙的膨脹沒有任何關(guān)系。如果我們觀測(cè)這一區(qū)域的紅移，卻沒有考慮這一點(diǎn)，依然按照傳統(tǒng)的模式分析測(cè)量到的紅移，就會(huì)系統(tǒng)性地高估膜重疊區(qū)域中天體的距離。

如果這個(gè)模型是正確的，那么膜重疊區(qū)域會(huì)出現(xiàn)有些天體聚集在某一個(gè)紅移值上，而在其他紅移值上則沒有天體。

這就導(dǎo)致即使是均勻的宇宙，看上去也會(huì)包含大質(zhì)量結(jié)構(gòu)和超巨洞的錯(cuò)覺。這一下子就解釋了巨類星體群、伽馬射線暴環(huán)和超巨洞的起源，這些結(jié)構(gòu)和潛在的膜重疊相符。

期待證據(jù)

當(dāng)然，這絕非是一目了然的事情。為了達(dá)到最終的目標(biāo)，這個(gè)理論中包含了許多的假設(shè)，其中一些可能有點(diǎn)太過理想。另外，此前也有人對(duì)膜理論中的一些假設(shè)提出了嚴(yán)厲的批評(píng)，其中不乏弦理論家。盡管如此，這個(gè)模型肯定是可以檢驗(yàn)的。

通過觀測(cè)天空中的高密度區(qū)和與之毗鄰的低密度區(qū)，可以對(duì)這一理論進(jìn)行檢驗(yàn)。如果在所有情況下紅移測(cè)量結(jié)果間的差異都是一樣的，那么它很可能表明，我們的膜與另一個(gè)膜存在重疊。

斯隆數(shù)字巡天已經(jīng)完成了有史以來最詳細(xì)的宇宙三維圖，有科學(xué)家正在計(jì)劃研究其中的紅移數(shù)據(jù)庫，來尋找支持這一理論的證據(jù)。這將會(huì)是證明我們的宇宙并不唯一的重要證據(jù)，它不僅能解釋天文觀測(cè)中一些令人困惑的結(jié)果，還能為抽象的弦理論打下實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)。

不過，把宇宙中這些最大的結(jié)構(gòu)化整為零地解釋的方法可能會(huì)招來新的麻煩。例如，發(fā)現(xiàn)超出我們自身所在的膜會(huì)對(duì)人類自身在宇宙中本已脆弱的地位造成嚴(yán)重的挑戰(zhàn)，并且使得宇宙均勻性的概念變得沒有意義。畢竟，在一個(gè)包含有相互作用膜的巨大多重宇宙中，宇宙學(xué)原理很有可能將不再成立。

延伸閱讀

宇宙微波背景低溫斑塊

宇宙微波背景是大爆炸遺留下來的輻射，保留著宇宙年齡僅為約40萬年時(shí)的樣子。它上面獨(dú)特的印跡代表著宇宙嬰兒時(shí)期溫度稍高和稍低的區(qū)域。根據(jù)我們對(duì)宇宙這一時(shí)期的認(rèn)識(shí)，這些溫度起伏應(yīng)該都很小，而且彼此之間差異不大。然而，在2004年，科學(xué)家使用威爾金森微波各向異性探測(cè)器在宇宙微波背景中發(fā)現(xiàn)了低溫斑塊，其溫度要比其他區(qū)域低得多。一開始，他們認(rèn)為這可能是測(cè)量結(jié)果的誤差。此后，歐洲空間局的普朗克衛(wèi)星也觀測(cè)到了這個(gè)低溫斑塊。

有理論認(rèn)為，在這個(gè)低溫斑塊的方向上存在一個(gè)超巨洞。為了抵達(dá)地球，宇宙微波背景輻射的光子必須穿過這個(gè)超巨洞。由于宇宙在加速膨脹，當(dāng)光子從這個(gè)超巨洞穿出時(shí)，它會(huì)發(fā)現(xiàn)周圍的物質(zhì)密度比它剛進(jìn)入這個(gè)超巨洞時(shí)低，其經(jīng)歷的引力勢(shì)減小，它們的能量也相應(yīng)地減小。當(dāng)利用光子的能量來計(jì)算一個(gè)源的溫度時(shí)，這種減小使我們錯(cuò)誤地認(rèn)為其原本所在的區(qū)域溫度比其他地方低。

多重宇宙中的生命

確認(rèn)多重宇宙的存在可能會(huì)引出一些關(guān)于生命起源和我們?cè)谟钪嬷形恢玫挠腥栴}。據(jù)我們目前的認(rèn)識(shí)，我們宇宙的物理學(xué)定律精妙得讓人起疑——物理常數(shù)中的任何一個(gè)若出現(xiàn)微小的變化就會(huì)使得液態(tài)水變得非常罕見，導(dǎo)致復(fù)雜的有機(jī)化學(xué)反應(yīng)無法進(jìn)行，或使得物質(zhì)無法聚集到一起。科學(xué)界常用“弱人擇原理”解釋這一問題。簡單地說，如果宇宙定律不具有我們所觀測(cè)到的特有行為，那么我們就不會(huì)存在進(jìn)而觀測(cè)到它們，因此也就不會(huì)如此驚訝了。與此同時(shí)，各種“強(qiáng)人擇原理”更提出了一些進(jìn)一步假設(shè)，出于某種原因，宇宙必然會(huì)演化出對(duì)生命有利的參數(shù)特性。借用一個(gè)量子理論的想法，這甚至可能是因?yàn)榇嬖谟凶晕乙庾R(shí)的觀測(cè)者是宇宙存在的一個(gè)前提。

如果我們所在的這個(gè)宇宙僅僅是無窮多個(gè)多重宇宙——尤其是永恒暴脹或多重世界下的多重宇宙——中的一個(gè)，就可以顯著地改變這場(chǎng)辯論中的論據(jù)。一個(gè)宇宙擁有和我們相同的參數(shù)的概率從極不可能到確定無疑不等，而與此同時(shí)，出現(xiàn)任何其他參數(shù)組合的概率也是如此。那么，在這些其他的宇宙中也存在生命嗎？一些科學(xué)家認(rèn)為，其可能性也許遠(yuǎn)比此前認(rèn)為的更高。采用計(jì)算機(jī)模擬來研究有著不同基本常數(shù)的宇宙的演化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定的物質(zhì)形式和碳化學(xué)反應(yīng)在許多極端的情況下仍能出現(xiàn)。