從“球形雞”到宇宙大尺度結構

2017-02-24 | 來源: 科學網 | 轉到微信 | 有0人參與評論 | 字體: 放大縮小 | 收藏 | 打印

　　我為《Newton-科學世界》2017年3月期寫的卷首語。

　　有一個物理冷笑話，在流行的美劇《生活大爆炸》中也曾被引用，說是某農場主在養雞過程中遇到了一些問題，於是他邀請附近大學裡的科學家來替他解決問題，大學裡的一位物理學家來進行了一番調查，記下許多數據後回去了，過了一段時間，農場主詢問物理學家是否已找到了解決方案，物理學家回答說：“是的，我已經解決了問題，但是只適用於真空中的球形雞！”

　　在很長一段時間裡，宇宙學理論其實很像這個“真空中的球形雞”，是一個做了極大簡化後得出的理論。愛因斯坦提出廣義相對論後，我們有了一組描述時空的美妙方程，但要求解這方程組相當困難。從愛因斯坦開始的宇宙學家們於是假定宇宙是均勻的、各向同性的（球形的）。星系紅移的哈勃定律提示我們宇宙在膨脹，再進一步假定宇宙中含有若幹種粒子成分，比如光子、普通物質，就可以導出宇宙整體演化的弗裡德曼方程。進一步思索這種膨脹早期的熱力學過程，勒梅特、伽莫夫等就提出了大爆炸宇宙學模型。

男星黎諾懿全裸拍劇親熱戲破尺度

宇宙中最震撼的存在漫長的生死之舞(圖)

黃金從何而來史上最亮宇宙爆炸引發新謎團(圖)

　　但我們明明知道，現實宇宙中物質的分布並非完全均勻，有的地方（比如星系內部）物質密度明顯高於另一些地方（比如星系之間的空間）。甚至星系的分布也並非均勻，比如人們很早就發現了一些巨大的星系團--在這些地方許多星系密集地聚集在一起。有些反對標准的宇宙學理論的人就常常以此為借口，批評標准的宇宙學理論。不過，雖然普通人和一些其它領域的學者會認為“真空中的球形雞”是一個嘲諷理論物理學家過度簡化的笑話，但理論物理學家們自己並不這麼認為。在他們看來，“真空中的球形雞”其實未必可笑，它往往正是通向更逼真也更復雜答案之前必須走的第一步，而且有時還能給出驚人准確的結果。假定宇宙均勻各項同性的理論看來就是如此--正是這個理論預言了宇宙微波背景輻射的存在，彭齊亞斯和威爾遜調試天線時意外地探測到了一種“多余的噪聲”從而證實這個理論基本的正確性。

　　但是，宇宙學家們也不能總是滿足於真空中的球形雞，而是遲早要把它放入空氣中，加上翅膀、頭冠和羽毛。自上世紀80年代開始，一系列規模越來越大、范圍越來越廣的巡天觀測開始揭示宇宙在大尺度上分布的不均勻性，其所觀測的星系數，從最初的幾千個，到現在的幾百萬乃至幾千萬個。在這些星系的分布中，也發現了豐富的不同形態，包括連綿延展的星系長城和巨大的星系空洞。

　　有趣的是，為了理解這些豐富的宇宙地貌是怎樣形成的、有怎樣的性質，人們同樣使用了種種“球形雞”方法把問題簡化。一種思路是微擾理論，在球形雞的基礎上稍稍加上幾根羽毛，或者說在均勻膨脹宇宙中增加一點微小的不均勻成分，然後看這不均勻性在引力作用下如何演化--當然它會不斷增長，直到不均勻性如此之大以致無法再把它視為微擾為止。另一種思路則是把這些微擾本身當成是球形的或者橢球形的，在宇宙膨脹中它的額外引力導致其膨脹逐漸減慢並逆轉為收縮，最後形成球形或橢球形的“暈”，星系最終就在這些暈中形成。通過這兩種研究方式，再加上對隨機初始條件的數學描述，我們獲得了一種對宇宙大尺度結構形成的直覺理解。另一方面，現代的電子數字計算技術也使宇宙學家們可以用蠻力求解非球形的問題--通過數值模擬，研究宇宙大尺度結構形成過程。令人驚訝的是，我們發現這一極其復雜的過程，仍然可以被很好地理解。現在，宇宙大尺度結構的形成理論是宇宙學標准模型的重要組成部分。

　　對於宇宙大尺度結構的研究仍在進一步深入。宇宙學家們希望通過對宇宙大尺度結構精密地測量，可以進一步揭示神秘的暗物質和暗能量的性質--它們顯然會影響大尺度結構形成的過程，也會改變最終大尺度結構的統計性質。另一方面，大尺度結構可能也是我們探索宇宙起源的最終線索。大尺度結構是微小的原初擾動在引力作用下形成的，而這些原初擾動的來源也是宇宙學理論的重要內容。主流的宇宙學理論認為，它們是在宇宙暴脹--一種宇宙極早期極其劇烈的膨脹中由於量子力學測不准原理導致的量子漲落而產生的。少數宇宙學家則提出了一些不同的宇宙起源理論：比如認為宇宙起源於高維時空中“膜”的碰撞。無論如何，深入研究這些大尺度結構的性質，可能是我們追溯宇宙大爆炸之前的唯一手段。