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一群“持不同政见”的天文学家声称，宇宙并非像爱因斯坦设想的那样平滑、均匀。如果他们的说法正确，那宇宙学可能就要改写了。 当宇宙学家推测宇宙性质的时候，他们都怀着一个“心照不宣”的假设，这个假设最初是由爱因斯坦提出来的，那就是所有物质均匀地分布在宇宙空间。 然而当天文学家审视整个天空时，看到的却是另一景象：由一个个星系组成的盘根错节的星系“链”蜿蜒地穿行在天文学上称之为“空洞”的空无一物的空间。物质在宇宙中的分布看起来远非均匀。 传统宇宙学家也承认，宇宙在小尺度范围内并非均匀，譬如太阳系最近的邻居半人马座离我们就有4.2光年（合大约200亿千米）；假如去串门，你会发现，路途中大部分时间都见不到一点物质的影子；此外，众所周知，在宇宙中实行的是一套“等级制度”：亿万颗恒星组成了星系，星系组成星系团，星系团又组成超星系团……这一切都意味着在相对较小的尺度范围内宇宙并非均匀。但他们一直信心满满地认为，宇宙在大尺度范围内应该是均匀的；就好比海洋，从近处看波浪迭起，但从高空看全景图，却光滑如镜。宇宙从全局看也应该是这个样子。 如今一小群天文学家对此观点提出挑战。他们认为，宇宙不仅在小尺度范围内是不均匀的，在大尺度范围内也一样是不均匀的。宇宙物质的分布，从任何尺度看都不均匀。 如果这一观点正确，那可麻烦了，我们现在的宇宙学理论恐怕都要推到重来了。 现在用来描述大爆炸和宇宙进化的标准模型叫弗里德曼模型，其理论基础是爱因斯坦1915年发表的广义相对论。 广义相对论实质上是关于引力的新理论。1922年，俄国物理学家亚历山大·弗里德曼将广义相对论应用于整个宇宙，建立了第一个宇宙模型。也正是爱因斯坦和弗里德曼最初提出假设：宇宙是均匀和各向同性的，也就是说，宇宙在任何位置、任何方向上都应该是一样的。自那之后，这一假设在宇宙学上被认为是不言自明的。 当初做出这一假设有两条理由。第一条纯粹是从实用的角度考虑的：用来描述宇宙的方程太复杂了，如果宇宙不是均匀光滑的，求起解来非常困难。第二条理由则源于当时观测资料的匮乏。要知道那个时候，没有人知道宇宙在大尺度结构上是什么样子的，甚至连星系是构成宇宙的基本单位这一点大家都没有完全接受。这样一来，把宇宙设想成最简单的形式就合情合理了。 在20世纪的大多数时间里，人们没有能力从观测上对这一假设进行验证。但随着观测技术的进步，我们能看到的宇宙区域越来越广，现在终于可以验证了。 一个办法是：从一个选定星系出发，数出以给定范围内星系的数目，然后跟假设宇宙均匀时预言的在同样范围内的星系数量进行比较。 早先的一个结果表明，在一个实际宇宙中，从一个给定星系出发在1500万光年范围内发现的星系数，是均匀宇宙所预测的2倍。但你以为这样就动摇了传统宇宙学家的信念了吗？不，他们坚持认为，如果所选的尺度扩大，那么两者应该趋于一致。他们估计，如果尺度超过9亿光年，宇宙将接近均匀。 为什么尺度对于判断宇宙是否均匀这么重要呢？举个例子。你把一些同样大小的球随机地被撒在房间地板上，从球这个尺度看，它们在地板上的分布是均匀的，但从组成球的分子的尺度看，就不均匀了。因为在球上，分子密集，但在球与球之间的空间，却一个分子也没有。所以判断物质分布均匀不均匀，跟所选的观察尺度是很有关系的。 但另一群天文学家却对此持异议。对星系普查的结果做了分析之后，他们声称在更大的尺度内，等级结构依然统治着宇宙，也就是说，星系组成星系团，星系团组成超星系团，超星系团又组成超超星系团……绵延不绝，在每一个尺度上都重复着同样的结构。 这种性质在一门叫“分形几何”的学科中，称为“自相似性”。自相似性的一个例子是俄罗斯套娃，一个套一个，它们除了大小不一样，其模样完全相同。如果一个系统具有这种自相似性，我们就说它是一个分形结构。云朵、海岸线、花椰菜等等都具有分形结构。这一小群天文学家认为，宇宙也是一个分形结构。 分形结构有一个特点，那就是许多量与我们选择的尺度有关。以海岸线的测量为例。一个测量员拿着一只两脚规，把它张成1米宽，去一步步测量一条海岸线。对于他来说，即使连接相邻两点的是一条弯弯绕的曲线，但在测量过程中，也被当作一条直线忽略过去了。这样，他测量得到的海岸线长度肯定要比实际的短；如果他把两脚规张成0.1米宽，那么他的测量就会反映出更多的细节，这时他测得的海岸线长度将比以1米为单位测得的长度要大；如果他把两脚规张成0.01米宽，那测得的海岸线长度将更长……总之，他用的测量尺子越小，所测量到的海岸线长度就越长；当尺子变得无穷小时，海岸线就变得无限长了（见我刊《大自然本身的几何学》一文）。 同样，要是宇宙是分形的，那么任何物理量，包括平均密度都将随着我们选择的尺度而变化，离开所用的尺度来谈平均密度是没有意义的。而传统宇宙学家就犯了一个严重的错误，他们事先假设存在一个跟尺度无关的所谓宇宙平均星系密度。 为了避免这种错误，意大利的一个研究小组把分形的特点考虑进来，计算了一下星系密度：围绕一个选定星系半径为R的区域内的星系数。在分形几何中，这个数与R D 成正比，D是分形的维数，其值在0到3之间。如果D是3，那就是说星系在球体内是均匀分布的，刚好对应传统上的宇宙均匀的观点。但如果D不是一个整数值，而是一个分数值，那么星系的分布就不再是均匀的了。 计算结果表明，D大概在2.1左右，这意味着在离我们大约3亿光年的范围内，宇宙具有分形结构，而远非均匀。 但这个估算只计及宇宙中那些发光的星系，而我们知道，发光物质只占宇宙物质（不包括暗能量）总质量的很少一部分，宇宙总质量的90%以上是暗物质；暗物质不发光，只能通过它与发光物质的引力作用，间接推知它的存在。 可是在我们谈论宇宙中物质分布是否均匀时，自然不能忽视这些“隐士”。比如说，如果我们看到的所谓空洞事实上填满了暗物质，那么即使在较小的尺度范围内，我们也可能得出宇宙是均匀的这一结论。 但天文学家指出，宇宙中发光物质的分布和暗物质分布迥然不同的可能性几乎很小。这是因为暗物质与普通发光物质之间有引力作用，相互吸引的结果是两者聚在一起，在那些没有发光物质的空洞里，一般也不会有暗物质存在，所以暗物质不会破坏宇宙的分形结构。事实上，如果暗物质的分布与普通物质大体相近，那么宇宙甚至比发光物质所显示的还要不均匀。 但是，就算宇宙是分形的吧，难道会像理论家们认为的，会带来灾难性后果吗？难道就意味着我们要抛弃现有的宇宙学模型吗？ 分形宇宙首先遇到的一个难题是，传统的宇宙学模型假设宇宙物质是均匀分布的，这样才能从爱因斯坦方程中求得一个解，而对于一个分形的物质分布，太复杂了，根本不可能找到爱因斯坦方程的一个解。 其次，虽然星系的等级结构是支持分形宇宙的最有力的证据，但分形宇宙理论自己却解释不了这个结构是怎么形成的。 那么对于这一现象，传统理论是如何解释的呢？在传统宇宙学的图景中，宇宙的演化从均匀宇宙中物质密度的一个微小波动开始的，比如说，在某个空间恰巧物质分布多了点，这个偶然的巧合随后被引力放大了：物质密度大的区域具有更强的引力，所以就拉进来更多的物质，使区域里物质密度更大，如此等等。这就好比富者更富，穷者更穷。 但是，这个过程还必须把宇宙在膨胀这一事实考虑进来，膨胀使尽力聚拢来的物质又分开。引力和膨胀较量的结果是，在小尺度范围内，引力获得了胜利，把物质聚集成了星系、星系团乃至超星系团。但随着尺度的增加，膨胀的影响越来越大（这就是著名的哈勃定律，这个定律说两个星系分离的速度与它们之间的距离是同步增加的），所以不可避免地存在一个尺度，在这个尺度上膨胀压倒了引力，不再有更高的等级结构生成。比如说到了超星系团，等级结构就截止了，不会有超超星系团形成，这些超星系团均匀地遍布整个宇宙，于是从超星系团这个尺度来看，宇宙就是均匀的。 这是目前对星系等级结构的形成最具说服力的解释，如果宇宙是分形的，势必这一切都要抛弃。 但不管分形宇宙的观点在理论上的挑战多么难以克服，假如分形宇宙既不是猜测，也不是模型，而只是一个观测事实呢？我们总不能贪图理论上的简单方便而无视事实吧？因为迄今的观测都支持这个观点。此外，对于一些问题，分形结构也许会导致一个完全崭新的宇宙图景，所以说不定还有一些激动人心的事情在等着我们呢。 看来，宇宙是均匀的还是分形的，解决这一争论的最终裁决权在于未来对宇宙进行更大范围的观察。假如未来的望远镜威力更大，对宇宙的观测能大到一个尺度，在这个尺度上宇宙变得均匀了，那我们就可以一劳永逸地支持宇宙是均匀的这一观点。假如我们始终没找到这一尺度，那恐怕就要不得不接受宇宙是分形的这种观点了。随之而来，我们还要从这一新的观点重新解释大爆炸和星系形成等等这些我们自以为了然于胸的问题。
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