宇宙長城

所謂的宇宙長城并不是某個星系，而是一大群星系的集合。星系有成群出現的現象，這叫星系群，而星系群也有成群出現的現象，叫做超星系團。例如我們的銀河系就屬于本星系群，本星系群是本超星系團的成員之一。通過觀測發現，宇宙中的大量星系都集中在一些特定的區域上，在這種極大的尺度結構上看去就象是長長的鏈條，所以叫宇宙長城，這可比星系的尺度要大的多。

1989年在天文學家瑪格利特·蓋勒和約翰·修茲勞試著標示約一萬五千個星系的分布時，發現星系、星系團的分布，即使在大尺度下，也并不是像以往所想像的那樣均勻分布，反而連結成條狀結構。兩位天文學家當時所標示出來的那些由多個星系團組成的巨大結構，距離銀河系足足有兩億光年之遙，它有五億光年長、三億光年寬，且有一千五百萬光年厚。在其他天文學家試著以其他的剖面繪制星系、星系團的分布圖時，也發現了相同的疏密不均、具有密集與空洞處的情況，而且目前尚未發現比長城更大的宇宙構造。因此目前一般相信大尺度的宇宙結構為泡狀，也就是宇宙空洞結構。照這些剖面圖看來，銀河系和本星系群也位于星系團密集處，因此一般預料我們所在的銀河系也位于某條長城上（參見“巨引源”）。但是“本長城”的規模尚且不得而知，因為本長城的延伸方向恰好位于銀河系的隱匿帶上，被銀河系中大量的宇宙塵和宇宙氣體所遮擋而無法觀測。關于長城和泡狀結構的起源，目前的假設之一是和暗物質有關。就像太陽系形成過程中有些氣體形成行星、有些則失敗而散成小行星或彗星一樣，那些泡狀“空洞”中的物質可能大規模地形成暗物質而不是星系群，而只有在邊緣、也就是泡壁之處的物質有機會大量地形成星系群。最宏大的宇宙長城2003年10月20日，以普林斯頓大學的天體物理學家J.理查德。格特為首的一組天文學家啟動了一個名為斯隆（Sloan）數字天空觀測計劃的項目，利用新墨西哥州阿帕奇角天文臺的大型望遠鏡，對1/4片天空中的100萬個星系相對地球的方位和距離進行了測繪，然后以航海家的心情把它們描繪在一張《宇宙地圖》上面。到2003年，這份地圖的草圖已經發布了第三版。正是在這個第三版地圖上面，天文學家驚訝地看到了這個被命名為“斯隆”的巨大無比的由星系組成的“長城”。這樣一種條帶狀的星系長城并不是第一次發現，在 1989年，天文學家格勒和赫伽瑞領導的一個小組，就從星系地圖上面發現了一個顯眼的由星系構成的條帶狀結構。這個結構長約7.6億光年，寬達2 億光年，而厚度為1500萬光年，隱然就是一條不規則的薄帶子的樣子。天文學家們形象地稱呼它為“長城”，后來就被人稱為“格勒－赫伽瑞長城”。宇宙究竟是什么？古人云，上下四方為之宇，古往今來為之宙；按物理學的觀點，上下四方是空間，是一個三維概念，古往今來是時間，是一個一維概念，所以，宇宙兩個字聯起來，是一個四維時空。可見古人對宇宙的定義，是帶有樸素的唯物辯證法的觀點的。而按現代的觀點，宇宙是指廣漠空間和其中存在的各種天體以及彌漫物質的總稱．由于宇宙是處于不斷地運動和發展之中的，也就是說人類目所能及的地方以及人類還 沒有看到但是仍然存在的物質都是宇宙。人們對宇宙奧秘揭示得越多，就越發現宇宙的深不可測。

人類對宇宙認識進程，先從地球開始，地球只是太陽系的一個普通成員與其他八顆行星一起日夜繞著太陽旋轉，連同衛星、慧星、小行星和流星，組成太陽系。再從太陽系延伸到銀河系，銀河系包括有1000多億顆恒星，所占宇宙空間直徑已達10萬光年。然而銀河系并不是宇宙空間的盡頭。在銀河系之外，還有許多“河外星系”。天文學家已發現10億多個河外星系，每個河外星系都包含有幾億、幾百億甚至幾千億顆恒星和大量的星云和星際物質。所有河外星系又構成更龐大的總星系。通過射電望遠鏡和空間探測，已觀測到距離我們地球約 200億光年的一種似星非星的天體，稱為“類星體”。這一發現，又把人類視線拓展到200億光年的宇宙深空。

我們的宇宙學理論最為關鍵的第一步，是由愛因斯坦邁出的。早在他提出狹義相對論，從而使得電磁作用在這個實在世界穩妥下來之后，馬上把目光投向整個宇宙最基本的問題：如何理解這個宇宙最為一般的作用力－萬有引力？以及萬有引力是如何主導構造了這個宇宙的形狀和歷史？為了從基本的力學原理出發，給整個宇宙建立一個一般的力學方程，愛因斯坦引入了一個看起來很穩妥和中庸的假設：整個宇宙從大范圍來看，物質的分布是均勻的，無論把我們的地球放在宇宙的哪個角落，地球上面的天文學家抬頭觀察宇宙所得到的性質應該是一樣的；無論我們從地球出發向著哪個方向橫穿整個宇宙，假如我們能夠做到這點的話，我們對于宇宙性質的測量也應該是一樣的。這是一個非常樸實的假設，被稱為宇宙學原理，我們可以把它看成是哥白尼原理的一個推廣版本。哥白尼最偉大的發現，即地球不是宇宙的中心，也就是說地球并沒有占據這個宇宙特殊的位置。這個發現徹底把人類從中世紀的受到禁錮[gù]的自然觀當中解放出來，才使得后來由牛頓主導的物理學革命有了合適的土壤。愛因斯坦從哥白尼那里繼承了這個思想：既然地球并不占據宇宙的特殊位置，那么也許在整個宇宙當中，都不應該存在任何的特殊位置，否則處于那個位置的天文學家對于宇宙的觀測性質，會和地球上面天文學家得到的觀測性質有差異。這樣一個自然的結果，就是宇宙當中物質的分布，應該是均勻的，各向同性的。

愛因斯坦從宇宙學原理出發，按照他提出的一種對于萬有引力的嶄新理解，也就是廣義相對論，能夠為宇宙列出一個基本的力學方程式，這個方程式能夠描述宇宙的演化歷史和結構形成。當然這樣一個力學方程和任何 的牛頓力學方程一樣，只是能夠告訴我們宇宙的行為方式，還無法單獨解釋宇宙處于這個狀況的緣故，就好像我們知道了16路公共汽車是典型的快車，但如果不知道它發車的時間和地點，也無法預料它什么時候到站一樣，對于宇宙，我們還需要通過觀測來獲得它的一些基本數據：整個宇宙在不停膨脹的速度，和宇宙的平均密度。

宇宙的任何兩點之間都在膨脹，是20世紀最偉大的天文發現，愛因斯坦的宇宙方程式當然必須接受這點；而宇宙的平均密度則反映了宇宙這輛快車的到站位置。加入這兩個觀測數據之后，我們用愛因斯坦的宇宙方程式就可以描繪出這么一幅基本的宇宙演化圖像：宇宙是從由微觀粒子構成的高溫高密度均勻氣體演化而來的，宇宙當中的物質形態和天體結構都是演化的產物，而如果把一個象銀河系那樣的星系只是看成一個氣體分子的話，那么的整個宇宙仍然可以比較恰當地看成由一個氣球所包含的一袋空氣，也就是說，宇宙里面星系的分布是基本均勻和稀疏的。從均勻的微觀粒子氣體，演化到均勻的星系構成的氣體，如果我們給其中的均勻加上“嚴格”這么一個形容詞，那么這個演化過程反而是不可能發生的了，因為無論是小到化學元素的形成，還是大到星系的形成，都需要有物質在局部地區不再均勻！所以如果我們追溯到宇宙的歷史早期，就應該預料到當時的宇宙就已經存在細微的、局部的波瀾，正是那樣細微的波瀾，才引發了后來宇宙當中各種結構的形成。

既然早期的宇宙波瀾是一定要存在的，因為否則我們無法解釋我們自己的存在，那么我們是否還能夠窺探到那種玄密波瀾的模樣呢？宇宙學家很巧妙地幫我們偷拍到了，那就是繪制整個宇宙的地圖。

美科學家繪制出早期宇宙最完美地圖亮相如果我們把整個宇宙的星系都描繪在一張地圖上面，那么我們首先能夠看到的是什么呢？就好像一張大幅海報，如果我們把臉貼著海報，當然只能看到印刷在紙上的各種顏色點，只有當我們后退到一定距離，才能夠看到海報上面的內容。同樣，如果我們站在足夠遠的距離，來看一幅標注了幾乎全部星系的宇宙全圖，那樣我們才能夠看到宇宙一般物質分布的圖像，而從那樣一個圖像，我們正好能夠大略看到嬰兒期宇宙的微波蕩漾的模樣。為什么呢？因為宇宙自從大爆炸之后，就一直是在不斷膨脹當中，在很早期的時候，當這種膨脹使得組成宇宙的微觀粒子之間的平均距離大到一定程度，那么粒子之間發生的碰撞作用就變成了非常希罕的事情，這樣大部分的粒子實際上從那個時候開始，就再也沒有和其他粒子相遇過，使得那個時候宇宙物質的分布狀況也就一直封存下來了，這就是我們能夠從宇宙全圖首先看到的圖像。迄今為止所有的對于星系的測量顯示，我們這個宇宙一眼看起來的話，很像一塊巨大的海綿：宇宙中的星系聚集成條帶狀，被廣闊的空曠地帶和巨大的空洞分隔開。我們可以愉快地認為，這種海綿狀的結構，正是宇宙在大爆炸后一瞬間所發生的物質分布密度波動所形成的圖樣。

為了更加明確地研究這個海綿宇宙，有必要把所有星系都畫到一張宇宙地圖上面去。以普林斯頓大學的天體物理學家J.理查德。格特為首的一組天文學家，就一直在從事這項工作。他們啟動了一個名為斯隆（Sloan）數字天空觀測計劃的項目，這份地圖的草圖已經發布了第三版。這樣一種條帶狀的星系長城并不是第一次發現。

蟹狀星云星系象海綿那樣分布是非常合乎理論家的預想的，但是等到觀測到這么一些明顯的條帶，開始有些令理論家不安起來，因為粗看起來，在單純的萬有引力的作用下，應該不至于在如此大的范圍形成如此壯觀的宇宙長城。但猜想不如動手，于是他們立即開動計算機，看到底能不能由現有的理論，通過模擬計算得到這樣一種大范圍的條帶結構。他們建立了一個巨大的由星系構成的宇宙模型，用來模擬真實宇宙里面包含了斯隆長城的那部分空間，而其中用來組成斯隆長城的星系，占到了整個模型里面星系數量的10%。計算結果讓天體物理學家大大松了口氣，因為不管是7.6億光年長的“格勒－赫伽瑞長城”，還是13.7億光年長的“斯隆長城”，都還不是屬于理論無法預測的結構。于是從愛因斯坦開始的宇宙學理論仍舊維持了它的榮耀，天文學家也得以繼續安穩地推進宇宙地圖的描繪工作。整個斯隆觀測計劃將在2005年完工，到那時我們將獲得有史以來最完整的宇宙三維立體圖。就好像當年哥倫布等航海探險先驅們繪制出第一張全球地圖一樣，宇宙全圖不僅能夠給我們帶來關于宇宙的大量有趣細節，例如大爆炸后"太空長城"是到底如何形成的，它周圍的空曠地帶又是如何形成的，更可以期待它能夠給整個人類社會帶來緩慢而深刻的觀念革命。想象一下，當新華書店在賣世界地圖的地方，新增了一些新奇而斑斕的宇宙地圖可供出售，隨后這些地圖被紛紛掛上墻壁，是不是可以常常給一眼瞥見它的人一點思想的停駐呢？