人类是不是宇宙的“特殊部分”？

2025-02-05

《科学美国人》月刊网站近日刊登题为《我们是不是生活在宇宙的一个特殊部分？》的文章，作者是萨拉·斯科尔斯，内容编译如下：

自从人类开始通过望远镜凝望苍穹，我们就一点一点地发现，从天体学的角度来看，我们显然没有那么特别。事实证明，地球不是宇宙的中心，甚至都不是太阳系的中心！不幸的是，太阳系也不是宇宙的中心。事实上，有许多本质上与太阳系类似的恒星系统，它们共同构成了一个星系。而且，你肯定知道，这个星系也并非独一无二，它只是众多星系中的一个。它们每个都有自己的“太阳系”，也都有自己的行星。想必其中一些行星上也有以自我为中心的生物，自以为在宇宙中举足轻重。

平庸原则

这种平庸原则以“宇宙学原理”的形式融入了宇宙学。其核心要义是，无论我们从哪个方向观测宇宙，它几乎都是一样的——就像牛奶一样均质化，由在各个方向上均匀分布的普通物质构成。在宇宙层级结构的顶端，巨大的星系团聚集形成庞大的、物质丰富的丝状和片状结构，环绕着广袤的星系间空洞。但从更宏观的层面看，结构似乎就逐渐消失了。英国中央兰开夏大学的亚历克西娅·洛佩斯表示，如果你能把视角拉得极远来观察宇宙的全貌，那么“它看起来会非常平滑”。

洛佩斯将宇宙比作一片海滩：如果你抓一把沙子放在显微镜下，沙粒看起来各有独特之处。她说：“你会看到不同的颜色、形状和大小。但如果你走过海滩，望向一座座沙丘，那么看到的就只是单一的金米色。”

这意味着，与宇宙万物相比，地球(或者其他行星中的任意一颗)及其所处的宇宙小小角落，似乎并没有占据特别优越的地位。

这种均匀性对天文学家来说有利，因为他们可以将研究宇宙的局部作为推断整体情况的一种可靠方式：无论是在银河系里，还是在数十亿光年以外的某个无名星系中，主要环境本质上应该是一样的。

难以验证

这种简化的理念适用于方方面面，从理解暗物质如何挤压星系团，到估算宇宙中有利于生命存活的环境有多普遍。它也让天文学家能简化关于宇宙过去的数学模型以及他们对宇宙未来的预测。洛佩斯说：“一切都基于(宇宙学原理)是正确的这一观点。这也是一个非常模糊的假设。所以真的很难验证。”

当存在大量与之相悖的证据时，验证工作尤其具有挑战性。而最近的一系列观测结果表明，宇宙可能比宇宙学家以往设想的更加奇特，而且存在更大的差异。

如果真是这样，人类(以及宇宙中其他的存在)实际上可能对光年以外的景象有一种特殊视角——并非所谓的“特别优待”，但也绝非普通，因为在足够大的尺度上，“普通”甚至不再是一个有用的概念。巴西圣埃斯皮里图联邦大学教授瓦莱里奥·马拉说，“不同的观测者可能会看到略有不同的宇宙”，至少在大尺度上是这样的。

天文学家还没有摒弃宇宙学原理，但他们正在收集与其潜在缺陷有关的线索。一种方法是寻找那些规模巨大、即使在极其广阔的视角下也会挑战宇宙平滑性的结构。科学家计算出，任何宽度超过约12亿光年的结构都会打破宇宙均匀性这一常规认知。

天文学家已经发现一些这样的结构。例如，洛佩斯发现了一个被称为“巨弧”的庞然大物——一个横跨约33亿光年、由众多星系组成的弧形结构。她还发现了“大环”，这是一个直径约为13亿光年、周长约为40亿光年的星系环。这两个奇特的结构相距很近，它们自己就可能连成一个更大的结构。

谜题待解

宇宙学研究本身也给出了让人对宇宙学原理产生质疑的理由。例如，密歇根大学的宇宙学家德拉甘·哈特勒指出，宇宙大爆炸遗留下来的光，即宇宙微波背景，存在一些神秘的大规模波动，这些波动看起来并非完全随机。他说：“这个问题从未得到令人满意的解释。”

一些科学家认为，或许可以用另一个原理——宇宙方差——来解释宇宙学原理面临的这些潜在挑战。宇宙方差指的是宇宙观测结果中固有的统计不确定性。我们总是受到可见范围的限制，因此从有限的样本中得出的结论在数学上始终存在不确定性。也许天文学家观测到的差异仅仅是观测不完整的结果，并没有真实反映宇宙属性。也许宇宙中一处看似异常的起伏，在与我们可见区域相邻的未观测宇宙区域相比时就会变平。

而在研究足够大的宇宙区域时，宇宙学家确实受到很大限制：可观测宇宙只有那么大。哈特勒说：“如果你说，‘我要研究星系的形状’，那么你很幸运：宇宙中有数不清的星系。你可以用统计学方法来解决问题，样本方差会非常小。”但在更大的尺度上，你只能收集到少数几个例子，因为可观测宇宙只能分成这么多庞大的区域。

马拉一度认为，某些宇宙学差异可能是宇宙方差造成的。但根据他和其他人的计算结果，宇宙方差已经不足以解释这些现象了。

尽管如此，大多数宇宙观测结果与宇宙学原理仍然十分吻合。所以，即使科学家掌握的信息足以合理质疑这一观点的正确性，他们也还没有准备好摒弃它——一个重要原因是，还没有人提出可靠的替代理论。

哈特勒说：“目前还没有确凿证据表明，存在违背这一原理的情况。不过，的确存在一些非常有趣的异常现象。”

无论如何，由于宇宙学的特性，这是一个很难破解的谜题。哈特勒说：“你可以在实验室里反复做实验，有别于此，我们只有一个宇宙。”