星系模式排列有什么規(guī)律，分形的，還是隨機(jī)變化的？

星系之變，變在何處，排列是否有規(guī)律？

宇宙有固定的模式嗎？

天文學(xué)家對于一個(gè)古老的問題有了答案

“宇宙網(wǎng)”中的星系團(tuán)

（圖源：K. Dolag, Universit?ts-Sternwarte München, Ludwig-Maximilians-Universit?t München, Germany）

幾十年來，宇宙學(xué)家一直好奇，宇宙大尺度結(jié)構(gòu)是否是分形的——也就是說，是否大小如何它都看起來是相同的。在對大量有關(guān)星系做出研究調(diào)查后，科學(xué)家們最終得出結(jié)論：并非如此，但有些是這樣。

在20世紀(jì)初期，自從埃德溫·哈勃發(fā)現(xiàn)M31的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了銀河的大小之后，宇航員們開始逐漸意識到宇宙是浩瀚無際的。除此之外，他們也發(fā)現(xiàn)我們可以看到星星點(diǎn)點(diǎn)，忽近又忽遠(yuǎn)。于是一個(gè)問題油然而生：這些星系的排列是有規(guī)律的嗎？還是完全隨機(jī)的呢？

起初，它看似是隨機(jī)排布的。天文學(xué)家看到巨大的星系團(tuán)，每個(gè)星系團(tuán)包含了幾千個(gè)星系。同樣也有很多小星系，自己獨(dú)立存在于其中?？偠灾?，這些觀測結(jié)果使它看起來好像沒有所謂的排列模式。

天文學(xué)家也同意這點(diǎn)。他們很久前提出了宇宙學(xué)原理，是指宇宙大多是時(shí)是同質(zhì)（大概指一個(gè)地方至另一個(gè)地方）同性（大概指無論從哪個(gè)方向看都相同）的。且有大量的星系和星系群均符合這一原理。

但到了19世紀(jì)70年代末，有關(guān)星系的研究開始變得復(fù)雜專業(yè)起來，科學(xué)家開始揭示星系排列模式的起源。除了星系群之外，星系本身是如同絲線般細(xì)長的形狀。這之間除了有廣闊的壁壘，還有廣闊且浩瀚的無垠宇宙。天文學(xué)家將之稱為宇宙網(wǎng)。這種模式有悖于宇宙學(xué)原理，因?yàn)檫@片大區(qū)域看起來不像宇宙中其他大區(qū)域一樣。

宇宙中的宇宙

分形學(xué)之父、數(shù)學(xué)家本華·曼德博（Benoit Mandelbrot）提出了一個(gè)假設(shè)。他認(rèn)為人們很難給分形一個(gè)定義，但這又是個(gè)顯而易見的事情，直覺告訴我們：無論我們怎樣探其究竟，這些都是一直重復(fù)的。數(shù)學(xué)家們多年來一直在研究自相似模式，曼德博并沒有提出分形的定義，但他卻創(chuàng)造了“分形”這個(gè)詞，也推動(dòng)了現(xiàn)代分形的研究。

分形可以說無處不在。例如：將雪花上的一點(diǎn)無限放大，你就會(huì)從微觀角度看到一個(gè)雪花。如果你將一顆樹枝無限放大，就會(huì)從微觀角度看到樹枝。如果再將海岸線放大，那么就會(huì)看到微型海岸線。分形在自然界中隨處可見，分形的數(shù)學(xué)使得我們可以理解宇宙中各種各樣的自相似結(jié)構(gòu)。

既然如此，那么曼德博猜想，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分形的初始形態(tài)。又或許只要經(jīng)過我們不懈的調(diào)查和探索，就會(huì)發(fā)現(xiàn)嵌套結(jié)構(gòu)——宇宙網(wǎng)中存在著宇宙網(wǎng)，他們充斥這整個(gè)宇宙。

均質(zhì)化和巴氏殺菌

隨著天文學(xué)家對宇宙網(wǎng)研究的不斷深入，人們開始逐漸了解宇宙大爆炸，并對宇宙中大尺度流型為什么存在做出解釋。這些理論證實(shí)了宇宙的均質(zhì)性，且相較于天文學(xué)家先前的研究來說，此次的研究更加全面。

對于分型宇宙的最終考驗(yàn)要等到本世紀(jì)，屆時(shí)斯隆數(shù)字巡天（Sloan Digital Sky Survey）等類似真正大規(guī)模的調(diào)查就已經(jīng)可以繪制出數(shù)百萬個(gè)星系的位置，并可以畫出宇宙網(wǎng)的大致形狀，這是以前的技術(shù)做不到的。

分形宇宙如果是真實(shí)存在的，那么我們所看到的宇宙應(yīng)該是存在于另一個(gè)更龐大的宇宙之中的。如果不存在，那么將來某個(gè)時(shí)候，宇宙網(wǎng)就不應(yīng)該稱為宇宙網(wǎng)，而是一個(gè)隨機(jī)排布的且與其他不同。

宇宙不是分形的，但宇宙網(wǎng)其中一部分仍然是分形的，這是個(gè)有趣的現(xiàn)象。例如，一種稱為“暈圈”的暗物質(zhì)團(tuán)塊，其中包含著子暈和子亞暈，它們承載著星系及其星系團(tuán)，形成嵌套結(jié)構(gòu)和子結(jié)構(gòu)。

反之，我們的宇宙并非是完全空洞的，這其中存在著一些微弱的矮星系，而這幾個(gè)星系排列在微弱的宇宙網(wǎng)中。計(jì)算機(jī)模擬時(shí)，該結(jié)構(gòu)的子空隙中存在著其獨(dú)特的宇宙網(wǎng)。

BY:Paul Sutter

FY:小發(fā)

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