[비즈한국] 数千年来天文学的历史给我们留下了这样一个教训：我们并不特别。在遥远的过去，人类长期以来认为自己在宇宙中拥有特殊的位置。我称之为一种“宇宙自恋”。然而，天文发现却无情地粉碎了人类的这种自负，揭示了我们只是处于宇宙中一个毫无特殊之处的平凡角落。
我们曾希望地球是宇宙的中心，但事实并非如此；接着希望太阳是银河系的中心，结果也不是。我们曾期待银河系是宇宙中唯一且特别的世界，但依然落空。天文学似乎在强迫我们接受这样一个事实：我们在宇宙中并不处于任何特殊的位置。支撑现代天文学的这一观点被称为“哥白尼原理”，它以首次提出地球并非宇宙特殊存在的人——哥白尼的名字命名。
通过此前的经验和历史，天文学家们曾认为哥白尼原理是理所当然的宇宙原则。他们认为，无论在何处观测、朝哪个方向看，宇宙看起来总是大同小异。然而，随着近期对广袤宇宙进行各种测绘观测，人们开始质疑：或许宇宙对所有人而言并不公平。在宇宙中发现了一些巨大的不对称性和不均匀性，似乎违背了哥白尼原理。
通过实际观测，我们能否证实或反驳哥白尼原理是否正确呢？为了回答这个问题，我们需要将这个稍显模糊的哥白尼原理进行更系统、更细致的拆解。
天文学家将这一观点大致分为两个方面来思考。首先，宇宙是“均匀的”。无论观测者位于何处，从任何位置看，宇宙看起来总是相似的。其次，宇宙是“各向同性的”。观测者在转动视角观察时，宇宙看起来也总是相似的。基于宇宙的均匀性和各向同性，天文学家认为宇宙公平地展现给每一个人。因此，他们自然地认为我们处于宇宙中一个毫无特殊之处的位置。毕竟，宇宙中没有任何一个地方具有特殊的意义。
实际上，直到十多年前，各种发现和观测都支持了哥白尼原理。以斯隆数字巡天（SDSS）为代表，完成了全宇宙无数星系立体地图的各项研究成果表明，在宏观尺度上，宇宙中的星系分布总体是均匀的。揭示大爆炸后残留在宇宙各处热迹的“宇宙微波背景辐射”观测也是如此。尽管以高分辨率确认了宇宙微波背景辐射中细微的温度差异和波动，但宇宙在几乎所有方向上都呈现出相似的图案。
然而，随着哈勃、詹姆斯·韦布等更精密的太空望远镜以及大型地面望远镜的观测，以前未曾发现的不对称景象开始显露。有趣的是，天文学家确认了我们的银河系附近存在一个星系密度远低于宇宙平均水平的巨大“空洞”（Void）。这并非指银河系旁边那些星系稀疏的小型局部空洞。
2013年，Ryan Keenan、Amy Barger和Lennox Cowie三位天文学家发现，我们的银河系位于一个周围物质密度低于宇宙平均水平的极巨大空洞中。这个巨大空洞的规模竟达20亿光年，以发现者的首字母命名为“KBC空洞”或“局部空洞”。由于它就像宇宙中被打出了一个直径20亿光年的巨大孔洞，因此得名。
我们的银河系恰好处于一个巨大的空旷区域，这在通过星系运动计算宇宙膨胀率时成为了一个重要问题。因为星系的运动不仅受到其所在的时空膨胀效应影响，还受到邻近星系间相互引力的共同作用。如果我们的银河系位于一个物质密度低于宇宙平均水平的巨大空洞中，星系会向密度更高的空洞外侧快速移动，这在我们看来，可能导致宇宙膨胀速度看起来比实际更快。如果宇宙本身不是一个完全公平的世界，而我们又是在一个相当独特的视角下观察宇宙，那么我们所看到的宇宙景象就不能完全代表宇宙的整体面貌。
除了这些巨大空洞外，还发现了星系在数亿光年尺度上延伸的长条状细丝或群聚现象。最近，甚至发现了一个跨度长达13亿光年的超巨大结构。构成该结构的星系总质量就达到了太阳质量的200京（2×10^18）倍。至少五个相互独立的超星系团聚集在一起，形成了这个宏伟的超结构。它比我们银河系所在的超星系团——拉尼亚凯亚超星系团还要重两倍以上，体积也大出三倍多。
这是迄今为止在宇宙绘图过程中发现的最大的超结构，它占据了我们可观测宇宙总体积的13%，包含的质量占全宇宙物质总量的25%。正如其体积与质量比例所暗示的那样，这个超结构中物质的聚集密度远高于宇宙平均水平。
天文学家为这个巨大的超结构起了一个有趣的名字——“Quipu（奇普）”。奇普是印加文明中用来在绳子上打结记录数字的工具。此次发现的星系超结构也如同印加文明的奇普一样，星系像绳子一样长长地连接在一起。由于沿着宏大的宇宙结构细丝排列的星系看起来就像绳子上连着的一串绳结，因此得名。
对于在数亿光年巨大尺度上，星系呈现低于平均密度的分布（空洞）或高于平均密度的聚集（超结构），单凭现有的标准模型很难解释。因为无论引入多少暗物质和暗能量，宇宙的膨胀和星系的诞生都应该在全宇宙范围内均匀发生。至于为什么宇宙的某些特定区域星系数量会异常多或异常少，至今尚未找到令人满意的答案。
宇宙可能并非均匀且各向同性的怀疑，在现代天文学和宇宙学中主要表现为两大难题。第一个是“哈勃张力”，即根据推算宇宙膨胀率的方法不同，得出的结果也不同。通常情况下，利用星系运动推算的膨胀速度比利用宇宙微波背景辐射推算的要快。一些天文学家主张，其原因是由于我们生活在星系密度较低的空洞区域。
第二个是实际宇宙中存在的星系密度分布差异，与根据宇宙微波背景辐射确认的早期宇宙密度差异推算出的结果不符。这在天文学计算星系分布密度所使用的参数S8中也有体现，因此被称为“S8张力”。
哈勃张力和S8张力不仅仅是简单的测量误差问题。这是一种非常令人震惊的不一致：基于“宇宙无论在何处、看哪里看起来都一样”的假设所作出的计算结果，无法充分反映宇宙的真实面貌。与我们的想法不同，宇宙在宏观视角下可能并不是那么均匀的世界，我们也可能正处于应用尚未理解的新物理定律的关口。
担忧宇宙可能并非均匀且各向同性的原因，在于我们已经进入了一个可以以前所未有的高精度观测和研究宇宙的时代。物质密度较高的区域会产生更大的时空扭曲，并导致背后的光发生折射和弯曲。根据时空弯曲程度的不同，时间的流逝速度也会发生变化。过去，由于我们观测到的宇宙本身非常粗糙且精度不够，因此无需刻意去在意时空扭曲和弯曲光线所造成的差异。
但如今，随着对宇宙的观察变得如此精确，连这些细微的差异都必须纳入考量，这便成了现代宇宙学的致命问题。换句话说，天文学正处于进入一个新的精密科学领域的过渡期，因此难题才会不断涌现。
哥白尼原理真的在宇宙任何地方都适用吗？要最确定地验证这个答案，我们需要离开地球，在其他地方四处张望并观测宇宙。然而，我们无法逃离地球这座“监狱”。我们无法得知生活在别处的存在是否也在看着和我们一样的宇宙，还是看到了一个与我们略有不同的世界。
如果哥白尼原理不适用于整个宇宙会怎样？在这个宇宙中，可能存在许多像我们一样对宇宙充满好奇并积极观察研究的文明，也许有多少个文明，就有多少种不同的天文理论和宇宙观。根据居住在宇宙的不同位置，或许正在用不同的天文理论来理解和观察宇宙。表面上看，哥白尼原理似乎在说我们并不特别，但“宇宙对所有人看起来都公平”的这种愿望，或许才是最人性化的错觉和期待。
参考
https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2025arXiv250119236B/abstract
作者池雄培（音译）是谁？他热爱猫和宇宙。儿时在看了《银河铁道999》后，立志要向世人传播宇宙之美。目前在延世大学星系演化研究中心及近宇宙论研究室，研究星系相互作用引发的演化，并进行演讲和写作等多种科学传播活动。著有《暧昧的天文台》、《终日思考宇宙》、《星，光的科学》等书籍。