宇宙真的是一個分形結構嗎?宇宙學原理到底暗示著怎樣的祕密

無處不在的分形

20世紀初,英國數學家劉易斯·弗萊·理德查森走在英國海岸線的時候,突然發現一件有趣的事:不論是海岸線本身還是海岸線上礁石的邊緣,不論他如何放大其中的一部分,看起來都和整體沒什麼區別。而且分得越精細,其周長越大。

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類似的情況有很多,1904年是瑞典數學家科赫提出,假設有一個三角形,我們以它每一個邊的兩個三等分點作為邊作出一個新的等邊三角形,可以無限分下去。這就是著名的科赫三角形

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類似的形狀有很多,比如謝爾賓斯基三角形——

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比如康托爾集——

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直到1973年,數學家伯努瓦·芒德布羅首次給類似的現象起了個名字——分形,他也由此被稱為分形之父

所謂的分形,就是像上面介紹的圖形一樣,具有自相似性,也就是單獨取一小部分來看,其實和整體的形狀是一樣的。這種分形不僅僅存在於數學中,在我們的生活裡也十分常見,比如羅馬花椰菜——

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樹枝——

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雪花——

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甚至,是我們的宇宙——

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(圖片說明:哈勃超深場圖)

分形宇宙

關於宇宙是分形結構的這個說法,也是來自於芒德布羅。他認為,如果在我們地球上,分形就已經無處不在了,那我們有什麼理由不認為宇宙就是一個分形呢?

實際上,在很久以前,人們就開始思考宇宙中的規律。這門學問,被稱為宇宙學原理。人們認為,任何客觀存在的物質都有著屬於它們自己的規律,宇宙也不例外。牛頓找到了其中一個特徵,那就是萬有引力;而芒德布羅則從分形的角度,來思考宇宙所具備的性質。

大約100年前,美國天文學家埃德溫·哈勃確定了河外星系的存在。從此人們意識到:銀河系不代表整個宇宙,它和無數個星系構成了今天的宇宙。根據目前的研究結果,可觀測宇宙中大約有20000億個大大小小、形形色色的星系。

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當我們觀測這些星系的時候,就會發現宇宙的確有可能是一個分形結構。它在每個方向上看去,似乎都是一樣的,不論你處在宇宙的哪個角落看,都是如此,這就是宇宙學原理中比較流行的一種理論——宇宙的各向同性

如果單純地看太陽系甚至是銀河系,你會發現宇宙的確並不完全對稱。這裡有太陽,那裡沒有,木星在這一側,土星在另一側……

但是,當你將尺度放大到2億光年、3億光年,就會發現宇宙在各個方向上幾乎完全是一樣的。這裡有星系,那裡也有,這裡有這麼多,那裡也有這麼多。甚至你放大一些,還是同樣的情況。

1995年12月18日至28日,哈勃空間望遠鏡拍攝了著名的哈勃深空場圖。這張佔據了全天1/2400萬的小區域放大之後,隱藏著大量遙遠的星系。

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(圖片說明:哈勃深空場圖)

2012年9月25日,哈勃更進一步,對一片佔據了天空1/3200萬的區域進行了長時間的曝光拍攝,獲得了哈勃極端深場影象。事實證明,如果乍看一樣,你確實很難分辨它與哈勃深空場以及更上面的哈勃超深場圖之間的區別。

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(圖片說明:哈勃極端深場)

如此看來,宇宙的確具有各向同性,而且類似於一種分形結構。

分形宇宙網

不過,對於宇宙整體是否真的是一個分形結構,還是有人提出質疑的。隨著人類對宇宙觀測的不斷深入,科學家們發現這些星系並不是獨立存在的,而是成群成群地組成了星系團結構。比如我們的銀河系,就位於一個包含了大約50個星系的星系團——本星系團中。

星系團不是宇宙最大的結構,其上還有超星系團。而超星系團之上,還有更加巨大的結構——宇宙網,其直徑甚至可以達到幾十億甚至一百億光年。如果以這樣的宇宙網為單位來觀測宇宙的話,各向同性就要遭受挑戰了。

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有些科學家認為,宇宙本身並非是分形的,但宇宙網卻具備分形的特徵。這些宇宙網的形狀就如同名字所形容的那樣,呈網狀結構。每個交點處,都有著比較密集的暗物質團塊。這裡的引力非常強,正是它們吸引物質靠近,從而在宇宙早期形成了星系,並且讓星系們在今天形成了星系團等結構。

在這些暗物質網內,我們可以看到分形的蹤跡。暗物質暈裡,還有子暗物質暈,甚至是子子暗物質暈。

而在一些所謂星系密度極低的宇宙空洞裡,我們會發現它們並非是真的什麼都沒有,其內部也有一些矮星系存在。而有趣的是,這些矮星系似乎也構成了一個相對小一點的宇宙網。而根據計算機模擬的結果,這些宇宙空洞內部的小空洞裡,似乎也有屬於它們自己的小宇宙網。

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按照這樣的情況來看,宇宙整體並非是分形的,這意味著芒德布羅提出的理論應該是不成立的。即便如此,在宇宙中,我們仍然能夠找到分形的痕跡。

更高階的智慧

不論是分形還是宇宙的結構,看起來都是一種帶有形而上學意味的理論。在它們的背後,都可能隱藏著更加高階的智慧,這仍有待於人類的探索。

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正如著名的物理學家惠勒所說的那樣:

誰不知道熵概念,那就算不上是一個在科學方面有文化的人,將來誰不知道分形的概念,也不能稱為有知識。

同樣的,宇宙學原理也是這樣的一種學問——不僅僅具備基本的知識性,而且是人類進步的一個臺階。

科學家估計,大約到本世紀末,我們對於宇宙的結構就會有一個飛躍式的瞭解了。目前,我們也有類似於斯隆數字巡天這樣的專案在對宇宙進行著觀測,它已經繪製了大量星系的位置,並且幫助我們瞭解這些星系之間的關聯。到本世紀末,我們應該會對數百萬個星系的位置資訊有所瞭解,這對於我們瞭解宇宙結構將有極大的意義。

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當然,我們這樣的觀測,仍然還是停留在三維空間的視角,尋找三維空間裡的規律。或許,當我們有能力以四維時空的角度來審視宇宙結構時,又會有不同的發現了。

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