“宇宙没有想象的那么“疙疙瘩瘩””

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科学技术日报记者张戈

宇宙天体的分布是均匀的还是不均匀的？ 科学家一直在寻找答案。

此前，在爱因斯坦广义相对论的理论框架下，基于宇宙学的标准模型，科学家预测宇宙初期经历了一个叫做“膨胀”的快速膨胀阶段，这一阶段的量子波动引发了宇宙的密度波动。 随着宇宙的进化，摆动越来越大，宇宙也慢慢变得不均匀了。

最近，据国外媒体报道，经过7年的千度调查( kids )，科学家利用位于智利的欧洲南方天文台的巨大望远镜( vlt )，观测到了距离地球100亿光年的宇宙中3000多万个星系。 结果表明，宇宙的均匀性比宇宙学标准模型的预测高近10%。

宇宙的均匀性是什么？ 科学家是如何计算整个宇宙的均匀性的？ 这次的观测结果比模型预测高10%意味着什么？

技术的进步使得验证均匀性成为可能

目前，用于解释宇宙大爆炸和宇宙进化的标准模型是弗里德曼模型，其理论基础是爱因斯坦1915年发表的广义相对论。

广义相对论本质上是关于重力的理论。 1922年，俄罗斯物理学家亚历山大·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。

也就是说，爱因斯坦的广义相对论和弗里德曼最初提出的宇宙模型演化成了宇宙均匀各向同性的共同假设。 这意味着宇宙的均匀性在任何位置、任何方向都应该相同。 这个假设是现代宇宙学的基础，也就是宇宙学的原理。 这个原理是否正确最终还需要观测验证，综合银河计数、射电源计数、微波背景辐射等各种观测结果，保证了这个原理的正确性。

但是，当我们放眼宇宙时，看到的是另一个景象。 数以亿计的恒星构成银河团，银河团构成超银河团……还有一个银河组成的银河“锁链”。 这样看来，宇宙到底是不是不均匀的？

“如果把宇宙分成一个大块，每个大块的密度就会比较均匀。 但是，每个大块内的物质又有不同的结构，有些地区物质密度非常高，我们称之为核。 有些区域的密度非常小，我们称之为空孔。 核与核之间还通过丝状物质的分布结构联系在一起”。 中国科学院紫金山天文台副研究员冯磊告诉科技日报记者:“宇宙的物质分布像平衡状态，各种天体结构像平衡状态的涨落。”

科学家认为，最初作出这一假设有两个理由。 一是因为从实用的角度考虑，描述宇宙的方程式太多太复杂，如果宇宙不均匀，求解就非常困难，无法直观地描述观测到的各种天体。 二是由于缺乏观测手段，当时的科学技术水平远远无法支撑人类对遥远宇宙的探索，没有人知道宇宙在大规模构造中是怎样的。 这样，把宇宙当作最简单的形式也是有道理的。

迄今为止，人们没有能力观测验证这一假设。 但是，随着观测技术的进步，我们可以看到的宇宙领域越来越广，终于可以验证了。

均匀与否与观测尺度有关

也许有一天人类会飞出太阳系，向着离太阳系最近的邻居——半人马座，来来去去地旅行。

但是，作为太空的旅客，你可能会非常无聊。 我觉得这次旅行是个很艰难的决定。 但是，尽管两地相距仅4.2光年，但旅行的大部分时间看不到物质的影子。

科学上，这表明宇宙在比较小的尺度范围内不均匀分布。

那么，在广阔的尺度上宇宙一定是均匀的吗？ 许多科学家认为，宇宙像大海一样，从近处起波浪，但从高空看却像镜子一样光滑。

但是在20世纪80年代，通过大范围的银河红移巡天观测，宇宙的均匀性与尺度直接相关，从数亿光年的尺度来看，星系并不是均匀分布在宇宙空之间，而是多个空孔和纤维状的结构，呈数十亿

“在银河和银河之间，宇宙中的可视物质不足以将银河连接在一起构成银河团。 如果不存在神秘的、看不见的物质，星团早就崩溃了。 ’冯磊告诉科技日报记者，科学家称这种看不见的神秘物质为暗物质。 宇宙由天体、暗物质、暗能量构成，其中暗物质和暗能量占宇宙的95%，在多个空看似无物的宇宙空之间涌动着“暗”流。 由一般物质、冷暗物质和宇宙学常数组成的加速膨胀宇宙学模型被称为标准宇宙模型。

也就是说，在某种程度上宇宙是不均匀的，但在大尺度上宇宙的物质分布是均匀的，标准宇宙模型可以继续使用。

改写古典宇宙学理论

宇宙的均匀性其实不一定。