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1.科学家的问题 先来做个选择题：宏观宇宙像什么？1.肉丸宇宙：孤立无连接的高密度区嵌在连通的低密度背景里。2.瑞士奶酪宇宙：低密度的孤立孔洞分布在高密度背景里。3.海绵宇宙：高密度区域和低密度区域相连，从拓扑角度看，理想的海绵体及其孔洞是一样的。 1918年Harlow Shapley通过对球状星团的分布及其密度的观测，推断出太阳并非银河的中心。如果银河是一个飞碟的话，我们只是住在它的边缘而已。 在J Richard Gott《宇宙网络：神秘的宇宙结构》一书里，大体上讲了人类过去一百年对于宏观大尺寸宇宙的理解。大尺寸介于可观测宇宙（半径约150亿秒差距的球）和2千万秒差距之间——秒差距为天文长度单位，1秒差距约为3.26光年。也就是说，大尺寸大约介于500亿光年及5000万光年之间尺度上的宇宙结构。
2.科学家的方法 Gott从观测和理论前沿两方面的进展做了讨论，当然，这两条线也是互相交织在一起的。 一条线是观测实验。在过去的一个世纪，不仅望远镜越来越大，分析方法也由原来的感光底片肉眼分析变成了计算机控制显示图像分析，可以更精确地测定光度。这也是准确定量测量的先决条件。有了这些进步，科学家们才更加深入地研究星系的大小、种类，并用类似摩尔定律的方式，逐步倒推出了宇宙的前沿。现在，宇宙的未知区域几乎都被标示出来，但我们要努力挖掘，做得更精确一些，比如对第一代恒星和类星体形成时代的研究。 另一条线就是理论研究。因为数据进展缓慢，因此很长一段时间内，多种完全不同的理论可能都是合理的。只有更好的数据更新，才会有一部分理论被刷下去。
在Gott的书中，讲了一个沉迷于用正多面体填充空间的高中男孩。这方面的项目使他在著名的西屋科学天才搜索排名第二。他还把这个想法发表在了《美国数学月刊》上，这成为他的第一篇论文。这启发了“种类统计”的定量测量，可用于分析大尺寸的拓扑结构，比如我们之前提到的肉丸或者瑞士奶酪结构。并且这些理论之间形成了互相竞争的概念。 3．科学家的结论 由于宇宙的大尺寸结构通常被认为起始于均匀分布的平均密度为r的状态，并且有一个低振幅dr(x)的密度叠加。在数学上，建立一个随机模型的原始宇宙学扰动的最简单的方法，就是采取一个高斯随机过程模型。而高斯随机过程的能量谱完全可以描述这个过程。肉丸或瑞士奶酪结构的随机过程可以具有相同的原始能量谱，但看起来却是完全不同的构造。
宇宙中有许多巨大的孔洞 来源：The Cosmic Web
于是，“种类统计”派上了用场。科学家们利用斯隆数字巡天系统的数据，建立了一个3D的星系种类模型，再用星系密度和位置以及一个模糊接近的密度场进行计算。根据高斯理论，宇宙有一个海绵状的拓扑结构。 人们现在认为，宇宙初期扰动非常接近于高斯随机理论。而在不久之前，理论界的看法还是众说风云的。比如，“瑞士奶酪宇宙”就可以解释为爆炸造成的，只是爆炸清除了所有孔洞。而近期的探索，没有一项结果支持大尺度结构的初始起源是非高斯随机过程的理论。
海绵状的宇宙拓扑结构 4.谁造了这块海绵？ 一花一世界，一叶一菩提。我们从未想过自己竟住在这样一块海绵里。如果这个宇宙不是被设计的，又是什么力量让它形成这样的结构呢？ 人类在探索宇宙真相的过程中总是不断地猜想和否定，并不断地接近真相。这正是科学最迷人的地方吧。
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发表于 2016-12-16 14:49:54
