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消灭宇宙中的“巨兽”

宇宙中存在大结构,是因为宇宙之外还有其他宇宙?

一个超大的空洞,坐落在数不尽的星系之中;许多个类星体聚集在一起,横跨了数十亿光年;许多伽马射线暴构成了一个圈,横跨了可观测宇宙6%的范围……随着观测能力的提高,天文学家开始在宇宙中识别出了许多巨大的结构。

但这里有一个问题:它们本应该都不存在!

自从哥白尼提出了日心说以后,大家才明白,地球在宇宙中的位置没什么特别之处。之后,天文学家还把这种思想演变为宇宙学原理,即认为宇宙中没有哪个地方十分特别。当然,你可以说,这里有个太阳系,那里有个仙女座星系,不过如果从很大的范围来看,宇宙应该是均匀的,每个地方看起来都一样,没有什么超大的空洞、类星体群等大结构。根据最新的观测数据,天文学家认为宇宙学原理适用于大约12亿光年及以上的尺度。

虽然宇宙学原理目前仍是一个假设,但已被多数天文学家所接受。然而,随着许多宇宙大结构的发现,宇宙学原理似乎开始站不住脚了。

宇宙中的庞然大物

就拿本文开头提到的那个空洞来说吧。这个空洞位于南半球天空区域,距离地球约30亿光年远,但这个空洞的直径近20亿光年。于是,天文学家把这个巨大的空洞称之为超级空洞。不过,超级空洞并不是完全空无一物。观测表明,它里面的星系密度比其他区域要少大约30%。一些天文学家相信,超级空洞可能与宇宙微波背景中的一个巨大的冷斑有关。在这个冷斑中,宇宙微波背景辐射的温度比其他区域略低一些,看起来也像一个空洞。但也许,它们之间并没有什么联系。

超级空洞只是其中的一个例子。2012年,英国天文学家还发现了一个跨越约40亿光年的结构,差不多是超级空洞的两倍。但这个结构不是什么空洞,而是由73个聚集在一起的类星体构成的。类星体是一种离我们十分远的、能量极高的活动星系核,早在20世纪80年代初期,天文学家就观测到了类星体。但是观测到很多个类星体聚在一起,这还是头一次。天文学家把这个结构称之为超大类星体群。

2015年,匈牙利天文学家发现在离我们大约70亿光年远的区域里,出现了一个由9个伽马射线暴构成的环形结构。这个伽马射线暴环十分巨大,跨度约为56亿光年,它大约占了整个可观测宇宙大小的6%。伽马射线暴是来自天空某处的伽玛射线强度短时间内突然增强又迅速减弱的现象。观测数据表明,伽玛射线暴几乎每天都在发生,而且发生的地方是随机的。但是许多伽马射线暴构成一个巨大的环形结构,这就太不寻常了。根据宇宙学原理,宇宙的空间是均匀的,而这么大的结构,很显然是不符合宇宙学原理的。

除了这些以外,还有很多新发现的宇宙大结构。这些宇宙“巨兽”是现代宇宙学的诅咒,会使得用爱因斯坦的广义相对论来分析宇宙演化,变成了一件不可能的任务。因为,宇宙如果不是均匀的,那么用爱因斯坦的方程来分析宇宙会变得超级麻烦。

如果宇宙是张膜

许多天文学家对这些发现十分怀疑,并提出了很多种解释,来维护宇宙学原理。比如,一些天文学家认为,某些大结构可能纯粹是随机出现的而已。

来自加拿大萨斯喀彻温大学的物理学家莱纳·迪克,却提出了一个十分另类的解释。他认为宇宙学原理是成立的,因为这些庞然大物不是真实存在的——它们不过是其他维度上的宇宙作用到我们宇宙上时产生的一种假象。

迪克的提议看起来很大胆,但它是建立在一个坚实的理论工作之上的。首先,引进其他的维度来解决问题,并不是什么新鲜事。几十年来,许多理论学家发现,假设额外维度的存在,那么他们就能很容易地把物理学两个最主要的理论——广义相对论和量子力学结合起来。广义相对论描述的是很大时空下的理论,而量子力学描述的是很小时空下的理论,如果能把它们结合起来,那么就会产生一个能放之四海而皆准的终极理论。

终极理论有很多种候选理论。一个很流行的候选理论是弦理论,认为粒子都是由振动中的能量弦构成的。它还认为,空间有更多的维度,维度应该是9维或10维的,我们只能感受到3维空间,是因为其他空间维度紧缩到了很小的尺度里,无法直接观测到。弦理论虽然成功地把广义相对论和量子力学结合起来,但缺乏实验证据的支持。主要的原因是,弦理论无法提出任何可检验的预测。

迪克研究的是弦理论中的一个拓展理论,叫做膜理论。他认为,膜理论能提供一个可检验的预测,同时还能解决宇宙学原理问题。

膜理论的基本内容是,我们的宇宙如同一张四维的薄膜,与其他类似的膜一起漂浮在巨大的有着更高维度的时空中。这说明,膜理论中的高维时空很大,而不像弦理论中那样,被紧缩到了很小的地方。其他的膜对应着其他的宇宙,但我们被限制在自己膜宇宙中,无法直接观测到其他的膜。但膜理论认为,两张相邻的膜可以在某些地方发生重叠,这就会带来一些可观测的影响。

来自膜的串扰

为了理解膜理论是怎么解决宇宙学原理问题的,首先我们得了解一下测量遥远天体距离的方法。

我们知道宇宙在膨胀,遥远的天体都会远离我们,而且离我们越远,退离我们的速度就越快。这样,天体产生的光就会被拉长,光谱中的谱线就会朝红端移动,而且天体越遥远,红移越严重。美国天文学家爱德文·哈勃首先发现了这个现象,并在1929年提出了哈勃定律,认为来自遥远天体的红移大小与它们的距离成正比。于是,天文学家可以通过测量天体的红移值来计算出天体的距离。

如果天文学家看到许多天体都有着相同的红移值,那么他们就会认为这些天体大致处在同一个区域,可以组成某种结构,比如超大类星体群或伽马射线暴环等。

迪克认为,如果另一个膜与我们自己的膜在某些地方发生重叠的话,会影响我们测得的红移值。在膜重叠区域,一个膜上的光子会受到来自另一个膜上的带电粒子产生的作用力,迪克把这种现象称为膜串扰现象。经过分析,迪克发现这种现象会改变重叠区域内氢原子的能级。电子从一个高能级跃迁到低能级时会产生一个光子,但如果膜串扰缩小了两个相邻能级的能量差值,那么产生的光子会比原来的波长更长。

如果不考虑膜串扰现象,天文学家观测重叠区域的天体时,测得的红移值会比真实的更大,会被误认为处在离我们更远的区域。这样,重叠区域看起来就会空荡荡的,而后面的区域里看起来反而更加拥挤。这些错觉,就可能被我们当成某种大结构。迪克认为,超级巨洞、超大类星体群、伽马线暴环以及其他的宇宙大结构,可能都是由膜串扰现象产生的。

当然,一切都还没有定论。迪克的理论只是众多解释中的一种。不过迪克的理论有一个优势,就是它可以通过观测来验证。比如,如果可以去寻找天空中存在密集区域与空旷区域相邻的地方,然后仔细核对那里天体的红移值,从中就可能找出一些蛛丝马迹。

目前,美国阿帕契点天文台正利用一台2.5米口径天文望远镜,进行一项名为“斯隆数字巡天”的观测项目,可详细测量35%的天空中数百万个天体的光度、红移等光学数据。迪克正计划在它的数据库里搜寻可以支持他的理论的红移数据。如果他找到了确凿的证据,那么这个发现将成为天文学史上最重要的发现。因为它不仅解决了宇宙学原理问题,它还能表明我们的宇宙并不是唯一的一个。

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