惊人的旅程:从可观测宇宙到微观原子,两者竟然如此相似

惊人的旅程:从可观测宇宙到微观原子,两者竟然如此相似
2022年11月03日 23:07 宇宙-观察

1990年2月14日,旅行者一号在距离地球64亿公里远的地方拍下了太阳系全家福,其中一张照片刚好把地球摄于镜内。

很难想象图中的暗淡蓝点就是人类唯一的家园,地球仅占了整张照片的0.12个像素,然而此时的旅行者一号连太阳系都还没有飞出,地球就在太空的背景中显得如此渺小。

越是深入对宇宙的了解,我们就越感到绝望,因为我们深知人类的存在是多么微不足道,那么对于整个宇宙的探索,人类什么时候才能抵达终点?

它是有限的,还是无界的?

每当问到宇宙有多大时,有人会说宇宙是无限大的。这似乎并不符合人类的逻辑,因为世间万物在人类的认知里都有始有终。事实上当我们顺着光向前追溯时,的确标记出了所谓的宇宙边界,它的直径是930亿光年左右。

但这个所谓的边界只能称为“人类的视野边界”,即人类能够观测到的最远的地方,并不是真实的宇宙边界。就像古人站在地面上向远处看,会认为地面和天边的交界是大地的边界,于是就得出了天圆地方的结论。

实际上那只是人类的目光所及罢了。

2018年,《新科学家杂志》发布了一篇意大利科学家的最新研究成果:一个巨大的超星系团,它打破了以往超星系团寿命和质量的记录,将研究成果刊登在国内时,不少媒体把它翻译成了宇宙墙,甚至说它就是宇宙的边界。

这种说法显然是错误的。早在上世纪八十年代,科学家就发现了在宇宙中有一些非常大的宇宙结构,它们的范围能够达到数十亿光年,例如史隆长城和拉尼亚凯亚超星系团。因其巨大的跨度,有些人将这些宇宙结构戏称为“great wall”。

事实上,大部分科学家都认为宇宙是有边无界的。科学家建立了几种可能的宇宙几何模型,其中有呈开放式的马鞍面型,也有呈闭合状的甜甜圈形状,假如宇宙像一个马鞍面,那么我们从地球出现,一直向前走,总有一天我们会再回到地球。

所以在这种情况下探寻宇宙的边界,就如同寻找地球的边界一样毫无意义,不过我们能够放大可观测宇宙的图像,看看能够其中发现什么。

现在这张照片,是10亿光年下的宇宙。虽然和可观测的930亿光年直径比起来还是太小了,但我们能在这里捕捉到一些清晰的图像,在这个尺度下,宇宙似乎不像我们平时从哈勃望远镜中看到的那样璀璨而拥挤。

要从这张照片中看出星点的特征显然是有些困难的,于是锁定星点最密集的地方,把图像放大到1亿光年的位置,在这里原本就密集的区域变得更为密集了,而周围黑暗的地方则浮现出了更多的星光。

不过显然在以亿光年为单位时,距离还是太远了,所以我们进一步放大图片,在1000万光年的位置观察。这时星点的数量少了很多,但它们的大小有了明显的变化,可以看到个别明亮且较大的光点。需要注意的是,这些光点并不是某颗恒星,而是一个个庞大的星系。

再继续拉近距离,在1000光年的距离下,图中的星点变得密集起来,有些拥挤的簇拥在一起。当我们继续放大到10000亿公里时,就能看到我们所处的太阳系了,10亿公里时我们看到了地球所处的轨道,定格在10万公里时,地球的全貌赫然出现在眼前。

我们并不止步于此,继续放大穿过云层,直至锁定到一个人,深入他的皮肤纹路,直达微观世界。我们看到了人体中的血管,细胞和DNA。

当我们来到1皮米的世界时,令人细思极恐的事出现了,此时的图像与10亿光年之外的图像相似度极高,假如不做标注,我们很容易把两张图混淆,似乎宏观世界和微观结构,都是出于同一套系统。

其实早在上世纪,科学家就发现了极大和极小之间的惊人共性,并提出了分形理论来解释它。

分形理论认为,客观事物具有相似的层次结构,例如拉尼亚凯亚超星系团的模样,和地球的河流以及人体的血管有高度相似性,以此类推星团和星系到天体,本质上都按相同的物理规律分布。

加利福尼亚大学的一个研究小组曾利于超级计算机模拟出了宇宙,加入其它计算后,它们发现宇宙中有一个描述大尺度时空结构因果关系的曲线图,和幂函数曲线有异曲同工之处,更令人惊讶的是,这个幂函数曲线和人类的神经网络有学者高度的相似性。

当我们带着这样的认知去观察宇宙和生活,就能发现更多类似的例子。这时宇宙的边界已经不再重要,重要的是宇宙的本质似乎又微妙了一些。

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