种种迹象表明：宇宙就是一个活人！它似乎在不同的尺度上重复着相似的模式（组图）

仰望星空，当我们将视线投向浩瀚无垠的宇宙时，常常会产生一种奇妙的感觉：大大小小的星系、星云、以及银河系的无数微小组成部分，似乎在不同的尺度上重复着相似的模式。

封面｜曼德布罗集

这种视觉上的相似性，是我们观察宇宙的一种奇特体验。而在更深层次的科学探索中，或许可以用一种“分形”的思维方式来解读宇宙的结构。

01 宇宙结构的相似性

无论是在最宏大的尺度，还是在微观的尺度上，宇宙的结构似乎都在不断重复着类似的模式。

在我们观察宇宙中最大的结构——如宇宙大尺度结构——时，我们不仅能看到庞大的星系、星系团等星际物质的分布，甚至在小至银河系、甚至更小的星系周围，也能观察到类似的暗物质光晕。

显然，宇宙的结构不仅在不同的尺度上存在相似性，甚至在最微小的星系间空隙中，也能发现一些微小的子结构。

这种现象本质上反映了一种普遍存在的规律：万有引力，在宇宙的每一个角落都在起作用，并且它产生的影响在不同的尺度上都表现出相似的模式。

这种规律的背后，正是引力的作用：当我们将视野拉远，从宇宙最微小的星系到最宏大的结构，万有引力似乎都是唯一重要的力。

随着时间的推移，若你等待得足够久，引力的作用将导致不同尺度上相似的结构形成。这不仅是天体物理学的一个基础概念，更为深奥的是，它预示着宇宙的结构形成具有一定的“自相似性”。

02 分形：自相似的数学概念

如果我们放大视野，甚至在更宏大的尺度上观察，会发现宇宙的结构似乎以一种分形的形式存在。

分形是一个数学概念，描述的是在不同尺度上自相似的结构。当某个图形在不同的放大倍数下，展现出相同的规律或形态时，我们称其为自相似的。

更准确地说，当图形的不同尺度上拥有相似的统计特征时，我们就可以把它称作“分形”。

分形的一个著名例子是曼德布罗集，这一数学图形展示了自相似性和准自相似性的组成部分，也许是分形结构最著名的代表。

曼德布罗集是通过对复数序列的迭代生成的，它的图像在不同的放大尺度下，展现出自相似的特征。

初看这些图形，我们可以发现一个有趣的现象：放大图像之后，虽然图形的细节发生了变化，但其基本形态却保持了相似性。

数学家通过不断放大这些图形，发现了其独特的自相似性，甚至在不同的尺度下，曼德布罗集的形态都表现出了类似的规律。

03 宇宙中的分形结构

将分形的概念应用到宇宙的结构中，我们不禁要问，宇宙本身是否是一个分形呢？

从物理学的角度来看，答案是“几乎是分形，但并不完全是”。

在20世纪末，科学家们发现，宇宙的结构形成与分形现象有着惊人的相似性。

首先，我们知道，宇宙中充斥着一种我们无法直接观测到的神秘物质——暗物质。

其次，宇宙的空间曲率也趋向于平坦，这意味着，如果我们将宇宙中所有的物质和能量加在一起，其总量将达到临界密度，从而决定了宇宙的膨胀速率。

不过，尽管宇宙的结构与分形有诸多相似之处，但宇宙并不是严格意义上的分形。

我们知道，分形的形成通常需要一个统一、规则的系统，而宇宙的构成则远比这个复杂。

在宇宙中，不仅有暗物质和普通物质的相互作用，还有辐射、暗能量等多种因素共同作用，导致了宇宙的演化与分形的概念有所不同。

04 模拟与暗物质的研究

通过对宇宙中暗物质的模拟，科学家们发现，无论是在大尺度还是小尺度，暗物质的分布都呈现出一些自相似的特征。

具体来说，所有的星系都嵌套在暗物质光晕中，并且其密度在星系的中心达到峰值。

在长期的演化过程中，暗物质粒子会在其轨道上运动，最终形成一个球状的暗物质晕。

值得注意的是，尽管我们对宇宙的理解不断深入，但不同的模拟条件几乎总会得到相似的结果：暗物质的密度分布具有特定的轮廓，无论是大尺度还是小尺度，结构都呈现出自相似性。

四种不同的模拟暗物质密度剖面图，以及一个 (模拟的) 等温剖面图 (红色) ，更好地匹配观察，但模拟无法重现。请注意，这些暗物质剖面在不同的宇宙尺度上具有相同的斜率，但周转半径不同。(Credit: R. Lehoucq et al。，A & A，2009)

科学家们在模拟中发现，这些暗物质光晕的普遍轮廓，正是宇宙结构自相似性最为明显的体现。

在模拟中，暗物质与普通物质的相互作用会导致复杂的密度分布，而这种分布无论在不同的尺度下都表现出相似的趋势。

05 自相似性的极限

然而，宇宙并不完全遵循分形的规律。

在实际的宇宙中，存在许多复杂的因素影响着宇宙的结构形成。

首先，暗物质与普通物质的相互作用非常复杂，二者之间的反馈作用会影响光晕的密度分布。

而且，普通物质在形成星系时，常常通过碰撞、聚合、升温等方式形成新的结构，这种过程打破了自相似的规律。

此外，辐射和暗能量的影响，也使得宇宙的结构在某些尺度上表现出与分形不同的特征。

随着宇宙的膨胀，暗能量的作用逐渐成为主导，阻止了宇宙在超大尺度上的自相似性表现。

暗能量的存在，为宇宙的结构设定了一个“上限”：即使在所有尺度上，宇宙的结构也不可能无限扩展。

宇宙暗物质网及其形成的大规模结构

结语：宇宙的分形谜团

从宏大的星系结构到微小的暗物质光晕，从银河系的光辉到宇宙最遥远的边际，宇宙的结构充满了无穷的奇妙与奥秘。

虽然宇宙并不是一个严格意义上的分形，但它在许多方面表现出与分形相似的自相似性。通过对暗物质、普通物质和宇宙膨胀的深入研究，科学家们逐渐揭开了宇宙的许多面纱。

然而，宇宙的复杂性也提醒我们，即使我们有了更深入的理解，仍然有许多谜团等待着我们去解开。