从“球形鸡”到宇宙大尺度结构
我为《Newton-科学世界》2017年3月期写的卷首语。
有一个物理冷笑话，在流行的美剧《生活大爆炸》中也曾被引用，说是某农场主在养鸡过程中遇到了一些问题，于是他邀请附近大学里的科学家来替他解决问题，大学里的一位物理学家来进行了一番调查，记下许多数据后回去了，过了一段时间，农场主询问物理学家是否已找到了解决方案，物理学家回答说：“是的，我已经解决了问题，但是只适用于真空中的球形鸡！”
在很长一段时间里，宇宙学理论其实很像这个“真空中的球形鸡”，是一个做了极大简化后得出的理论。爱因斯坦提出广义相对论后，我们有了一组描述时空的美妙方程，但要求解这方程组相当困难。从爱因斯坦开始的宇宙学家们于是假定宇宙是均匀的、各向同性的（球形的）。星系红移的哈勃定律提示我们宇宙在膨胀，再进一步假定宇宙中含有若干种粒子成分，比如光子、普通物质，就可以导出宇宙整体演化的弗里德曼方程。进一步思索这种膨胀早期的热力学过程，勒梅特、伽莫夫等就提出了大爆炸宇宙学模型。
但我们明明知道，现实宇宙中物质的分布并非完全均匀，有的地方（比如星系内部）物质密度明显高于另一些地方（比如星系之间的空间）。甚至星系的分布也并非均匀，比如人们很早就发现了一些巨大的星系团--在这些地方许多星系密集地聚集在一起。有些反对标准的宇宙学理论的人就常常以此为借口，批评标准的宇宙学理论。不过，虽然普通人和一些其它领域的学者会认为“真空中的球形鸡”是一个嘲讽理论物理学家过度简化的笑话，但理论物理学家们自己并不这么认为。在他们看来，“真空中的球形鸡”其实未必可笑，它往往正是通向更逼真也更复杂答案之前必须走的第一步，而且有时还能给出惊人准确的结果。假定宇宙均匀各项同性的理论看来就是如此--正是这个理论预言了宇宙微波背景辐射的存在，彭齐亚斯和威尔逊调试天线时意外地探测到了一种“多余的噪声”从而证实这个理论基本的正确性。
但是，宇宙学家们也不能总是满足于真空中的球形鸡，而是迟早要把它放入空气中，加上翅膀、头冠和羽毛。自上世纪80年代开始，一系列规模越来越大、范围越来越广的巡天观测开始揭示宇宙在大尺度上分布的不均匀性，其所观测的星系数，从最初的几千个，到现在的几百万乃至几千万个。在这些星系的分布中，也发现了丰富的不同形态，包括连绵延展的星系长城和巨大的星系空洞。
有趣的是，为了理解这些丰富的宇宙地貌是怎样形成的、有怎样的性质，人们同样使用了种种“球形鸡”方法把问题简化。一种思路是微扰理论，在球形鸡的基础上稍稍加上几根羽毛，或者说在均匀膨胀宇宙中增加一点微小的不均匀成分，然后看这不均匀性在引力作用下如何演化--当然它会不断增长，直到不均匀性如此之大以致无法再把它视为微扰为止。另一种思路则是把这些微扰本身当成是球形的或者椭球形的，在宇宙膨胀中它的额外引力导致其膨胀逐渐减慢并逆转为收缩，最后形成球形或椭球形的“晕”，星系最终就在这些晕中形成。通过这两种研究方式，再加上对随机初始条件的数学描述，我们获得了一种对宇宙大尺度结构形成的直觉理解。另一方面，现代的电子数字计算技术也使宇宙学家们可以用蛮力求解非球形的问题--通过数值模拟，研究宇宙大尺度结构形成过程。令人惊讶的是，我们发现这一极其复杂的过程，仍然可以被很好地理解。现在，宇宙大尺度结构的形成理论是宇宙学标准模型的重要组成部分。
对于宇宙大尺度结构的研究仍在进一步深入。宇宙学家们希望通过对宇宙大尺度结构精密地测量，可以进一步揭示神秘的暗物质和暗能量的性质--它们显然会影响大尺度结构形成的过程，也会改变最终大尺度结构的统计性质。另一方面，大尺度结构可能也是我们探索宇宙起源的最终线索。大尺度结构是微小的原初扰动在引力作用下形成的，而这些原初扰动的来源也是宇宙学理论的重要内容。主流的宇宙学理论认为，它们是在宇宙暴胀--一种宇宙极早期极其剧烈的膨胀中由于量子力学测不准原理导致的量子涨落而产生的。少数宇宙学家则提出了一些不同的宇宙起源理论：比如认为宇宙起源于高维时空中“膜”的碰撞。无论如何，深入研究这些大尺度结构的性质，可能是我们追溯宇宙大爆炸之前的唯一手段。
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有一个物理冷笑话，在流行的美剧《生活大爆炸》中也曾被引用，说是某农场主在养鸡过程中遇到了一些问题，于是他邀请附近大学里的科学家来替他解决问题，大学里的一位物理学家来进行了一番调查，记下许多数据后回去了，过了一段时间，农场主询问物理学家是否已找到了解决方案，物理学家回答说：“是的，我已经解决了问题，但是只适用于真空中的球形鸡！”
在很长一段时间里，宇宙学理论其实很像这个“真空中的球形鸡”，是一个做了极大简化后得出的理论。爱因斯坦提出广义相对论后，我们有了一组描述时空的美妙方程，但要求解这方程组相当困难。从爱因斯坦开始的宇宙学家们于是假定宇宙是均匀的、各向同性的（球形的）。星系红移的哈勃定律提示我们宇宙在膨胀，再进一步假定宇宙中含有若干种粒子成分，比如光子、普通物质，就可以导出宇宙整体演化的弗里德曼方程。进一步思索这种膨胀早期的热力学过程，勒梅特、伽莫夫等就提出了大爆炸宇宙学模型。
但我们明明知道，现实宇宙中物质的分布并非完全均匀，有的地方（比如星系内部）物质密度明显高于另一些地方（比如星系之间的空间）。甚至星系的分布也并非均匀，比如人们很早就发现了一些巨大的星系团--在这些地方许多星系密集地聚集在一起。有些反对标准的宇宙学理论的人就常常以此为借口，批评标准的宇宙学理论。不过，虽然普通人和一些其它领域的学者会认为“真空中的球形鸡”是一个嘲讽理论物理学家过度简化的笑话，但理论物理学家们自己并不这么认为。在他们看来，“真空中的球形鸡”其实未必可笑，它往往正是通向更逼真也更复杂答案之前必须走的第一步，而且有时还能给出惊人准确的结果。假定宇宙均匀各项同性的理论看来就是如此--正是这个理论预言了宇宙微波背景辐射的存在，彭齐亚斯和威尔逊调试天线时意外地探测到了一种“多余的噪声”从而证实这个理论基本的正确性。
但是，宇宙学家们也不能总是满足于真空中的球形鸡，而是迟早要把它放入空气中，加上翅膀、头冠和羽毛。自上世纪80年代开始，一系列规模越来越大、范围越来越广的巡天观测开始揭示宇宙在大尺度上分布的不均匀性，其所观测的星系数，从最初的几千个，到现在的几百万乃至几千万个。在这些星系的分布中，也发现了丰富的不同形态，包括连绵延展的星系长城和巨大的星系空洞。
有趣的是，为了理解这些丰富的宇宙地貌是怎样形成的、有怎样的性质，人们同样使用了种种“球形鸡”方法把问题简化。一种思路是微扰理论，在球形鸡的基础上稍稍加上几根羽毛，或者说在均匀膨胀宇宙中增加一点微小的不均匀成分，然后看这不均匀性在引力作用下如何演化--当然它会不断增长，直到不均匀性如此之大以致无法再把它视为微扰为止。另一种思路则是把这些微扰本身当成是球形的或者椭球形的，在宇宙膨胀中它的额外引力导致其膨胀逐渐减慢并逆转为收缩，最后形成球形或椭球形的“晕”，星系最终就在这些晕中形成。通过这两种研究方式，再加上对随机初始条件的数学描述，我们获得了一种对宇宙大尺度结构形成的直觉理解。另一方面，现代的电子数字计算技术也使宇宙学家们可以用蛮力求解非球形的问题--通过数值模拟，研究宇宙大尺度结构形成过程。令人惊讶的是，我们发现这一极其复杂的过程，仍然可以被很好地理解。现在，宇宙大尺度结构的形成理论是宇宙学标准模型的重要组成部分。
对于宇宙大尺度结构的研究仍在进一步深入。宇宙学家们希望通过对宇宙大尺度结构精密地测量，可以进一步揭示神秘的暗物质和暗能量的性质--它们显然会影响大尺度结构形成的过程，也会改变最终大尺度结构的统计性质。另一方面，大尺度结构可能也是我们探索宇宙起源的最终线索。大尺度结构是微小的原初扰动在引力作用下形成的，而这些原初扰动的来源也是宇宙学理论的重要内容。主流的宇宙学理论认为，它们是在宇宙暴胀--一种宇宙极早期极其剧烈的膨胀中由于量子力学测不准原理导致的量子涨落而产生的。少数宇宙学家则提出了一些不同的宇宙起源理论：比如认为宇宙起源于高维时空中“膜”的碰撞。无论如何，深入研究这些大尺度结构的性质，可能是我们追溯宇宙大爆炸之前的唯一手段。
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