消滅宇宙中的“巨獸”

仉博簡

宇宙中存在大結構，是因為宇宙之外還有其他宇宙？

一個超大的空洞，坐落在數不盡的星系之中；許多個類星體聚集在一起，橫跨了數十億光年；許多伽馬射線暴構成了一個圈，橫跨了可觀測宇宙6%的范圍……隨著觀測能力的提高，天文學家開始在宇宙中識別出了許多巨大的結構。

但這里有一個問題：它們本應該都不存在！

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，天文學家還把這種思想演變為宇宙學原理，即認為宇宙中沒有哪個地方十分特別。當然，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、類星體群等大結構。根據最新的觀測數據，天文學家認為宇宙學原理適用于大約12億光年及以上的尺度。

雖然宇宙學原理目前仍是一個假設，但已被多數天文學家所接受。然而，隨著許多宇宙大結構的發現，宇宙學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域，距離地球約30億光年遠，但這個空洞的直徑近20億光年。于是，天文學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域要少大約30%。一些天文學家相信，超級空洞可能與宇宙微波背景中的一個巨大的冷斑有關。在這個冷斑中，宇宙微波背景輻射的溫度比其他區域略低一些，看起來也像一個空洞。但也許，它們之間并沒有什么聯系。

超級空洞只是其中的一個例子。2012年，英國天文學家還發現了一個跨越約40億光年的結構，差不多是超級空洞的兩倍。但這個結構不是什么空洞，而是由73個聚集在一起的類星體構成的。類星體是一種離我們十分遠的、能量極高的活動星系核，早在20世紀80年代初期，天文學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。天文學家把這個結構稱之為超大類星體群。

2015年，匈牙利天文學家發現在離我們大約70億光年遠的區域里，出現了一個由9個伽馬射線暴構成的環形結構。這個伽馬射線暴環十分巨大，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度短時間內突然增強又迅速減弱的現象。觀測數據表明，伽瑪射線暴幾乎每天都在發生，而且發生的地方是隨機的。但是許多伽馬射線暴構成一個巨大的環形結構，這就太不尋常了。根據宇宙學原理，宇宙的空間是均勻的，而這么大的結構，很顯然是不符合宇宙學原理的。

除了這些以外，還有很多新發現的宇宙大結構（詳見《大科技》2016.05A～06A上連載的《宇宙十大“巨獸”》）。這些宇宙“巨獸”是現代宇宙學的詛咒，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。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

許多天文學家對這些發現十分懷疑，并提出了很多種解釋，來維護宇宙學原理。比如，一些天文學家認為，某些大結構可能純粹是隨機出現的而已。

來自加拿大薩斯喀徹溫大學的物理學家萊納·迪克，卻提出了一個十分另類的解釋。他認為宇宙學原理是成立的，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，許多理論學家發現，假設額外維度的存在，那么他們就能很容易地把物理學兩個最主要的理論——廣義相對論和量子力學結合起來。廣義相對論描述的是很大時空下的理論，而量子力學描述的是很小時空下的理論，如果能把它們結合起來，那么就會產生一個能放之四海而皆準的終極理論。

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，認為粒子都是由振動中的能量弦構成的。它還認為，空間有更多的維度，維度應該是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結合起來，但缺乏實驗證據的支持。主要的原因是，弦理論無法提出任何可檢驗的預測。

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

膜理論的基本內容是，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。但膜理論認為，兩張相鄰的膜可以在某些地方發生重疊，這就會帶來一些可觀測的影響。

來自膜的串擾

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

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

如果天文學家看到許多天體都有著相同的紅移值，那么他們就會認為這些天體大致處在同一個區域，可以組成某種結構，比如超大類星體群或伽馬射線暴環等。

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

如果不考慮膜串擾現象，天文學家觀測重疊區域的天體時，測得的紅移值會比真實的更大，會被誤認為處在離我們更遠的區域。這樣，重疊區域看起來就會空蕩蕩的，而后面的區域里看起來反而更加擁擠。這些錯覺，就可能被我們當成某種大結構。迪克認為，超級巨洞、超大類星體群、伽馬線暴環以及其他的宇宙大結構，可能都是由膜串擾現象產生的。

當然，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域與空曠區域相鄰的地方，然后仔細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米口徑天文望遠鏡，進行一項名為“斯隆數字巡天”的觀測項目，可詳細測量35%的天空中數百萬個天體的光度、紅移等光學數據。迪克正計劃在它的數據庫里搜尋可以支持他的理論的紅移數據。如果他找到了確鑿的證據，那么這個發現將成為天文學史上最重要的發現。因為它不僅解決了宇宙學原理問題，它還能表明我們的宇宙并不是唯一的一個。