宇宙星系的排列是有規律的， 還是完全隨機的

據國外媒體報道，天文學家正在接近一個古老問題的答案。幾十年來，宇宙學家一直想知道宇宙的大尺度結構是否是分形的，即無論在多大的尺度上，宇宙看起來都具有相似的形狀。在完成了對眾多星系的大規模調查后，科學家們終于找到了答案：宇宙并不是分形的，但在某種程度上，卻又像是分形的。

20世紀初，埃德溫·哈勃率先發現了我們與仙女座星系（離銀河系最近的星系）之間的巨大距離，天文學家們也開始意識到，宇宙的浩瀚幾乎是無法想象的。另一方面，天文學家也觀測到了散落的星系，遠近都有。于是，一個問題很自然地提了出來：這些星系的排列是有規律的，還是完全隨機的？

起初，這一切看起來是很隨機的。天文學家看到了巨大的星系團，每個星系團包含上千個甚至更多的星系;也有一些小得多的星系群，有的星系則獨自在宇宙中游蕩。從這些觀測結果來看，宇宙似乎并沒有什么普遍性的模式。

天文學家對此并不介意。長期以來，他們一直假設存在一種名為“宇宙論原則”（cosmological principle）的概念，即宇宙基本上是均質（各處大致相同）和各向同性的（無論你往哪個方向看都大致相同）。一系列隨機的星系和星系團正好符合這個原則。

但在20世紀70年代末，星系調查更加深入，開始揭示星系排列中呈現的模式。除了星系團，還有很長、很細的大尺度纖維結構;在宇宙大尺度構造中，還有所謂的“長城”，又稱為“巨墻”，星系和星系團的分布并不均勻，而是連接成條狀結構，有的甚至長達5億光年，寬3億光年，并且有1 500萬光年那么厚;然后是“空洞”，即纖維狀結構之間的空間，只包含很少或完全不包含任何星系。天文學家將所有這一切稱為“宇宙網”。這種模式違反了宇宙論原則，因為這意味著宇宙的大片區域看起來與其他大片區域并不一致。

因此，關于宇宙大尺度構造的模式，也許還有更多的故事。

宇宙中的宇宙

一個有趣的觀點來自數學家、分形之父本華·曼德博（Benoit Mandelbrot）。分形很難定義，但我們憑直覺就能理解：它們是重復的幾何圖案，無論縮放多少倍，其每個部分都（至少近似地）是整體縮放后的形狀。本華·曼德博并沒有發明“分形”這個概念——數學家們對自相似模式的研究已經有很多年了——但他創造了“分形”（fractal）這個詞，并引領了對這一概念的現代研究。

分形隨處可見。把雪花的一個角放大，你會看到微型雪花;放大樹枝，你會看到微型的樹枝;放大海岸線，你會看到微縮的海岸線。在自然界中，分形在我們的周圍幾乎無處不在，而分形的數學使我們能夠理解宇宙中各種各樣的自相似結構。

本華·曼德博猜測，如果分形無處不在，那么也許整個宇宙就是一個分形。也許我們看到的星系排列模式是最大分形可能的開端。也許，如果我們對宇宙結構的調查足夠精密，就會發現其中所隱藏的結構——宇宙網中的宇宙網，填滿整個宇宙直到浩瀚界限。

均質性的宇宙尺度

隨著天文學家對宇宙網的了解越來越多，他們對大爆炸的歷史的了解也更加深入，并想出了各種方法來解釋宇宙中存在的大尺度模式。這些理論預測稱，宇宙仍然是均質的，只不過是在比天文學家之前觀察到的大得多的尺度上。

分形宇宙的最終考驗直到本世紀才會到來，屆時真正規模龐大的調查，如斯隆數字巡天（SDSS），將能夠繪制數百萬個星系的位置，繪制出一幅宇宙網的圖像，其規模前所未見。

如果分形宇宙的觀點是正確的，那么可以想見，我們所處的局部宇宙網絡將嵌在一個更大的宇宙網絡中。如果這一觀點是錯的，那么在某個臨界點上，宇宙網將不再是一個宇宙網，而是一個隨機的，足夠大的“宇宙塊”，看起來（在統計上）應該就像任何其他隨機的塊。結果就是均質性，只不過是在一個令人震驚的尺度上。你需要穿過大約3億光年，才會發現宇宙趨于均質。

宇宙絕對不是分形的，但宇宙網的某些部分仍然具有有趣的分形性質。例如，被稱為“暈”的暗物質團承載著星系及星系團，形成嵌套結構和子結構;暗物質暈也包含著次級和次次級的分支結構。

宇宙中的空洞并非完全是空無一物的。它們確實包含少數黯淡的矮星系，而它們就排列在一個精細、稀薄的宇宙網中。在計算機模擬中，這種結構中的亞空洞內部也包含著其自身的宇宙網。

因此，盡管宇宙作為一個整體不是分形的，本華·曼德博的觀點也站不住腳，但我們仍然可以在宇宙中的任何地方觀察到分形。