[비즈한국] 數千年來天文學的歷史給我們留下了這樣一個教訓：我們並不特別。在遙遠的過去，人類長期以來認為自己在宇宙中擁有特殊的位置。我稱之為一種“宇宙自戀”。然而，天文發現卻無情地粉碎了人類的這種自負，揭示了我們只是處於宇宙中一個毫無特殊之處的平凡角落。
我們曾希望地球是宇宙的中心，但事實並非如此；接著希望太陽是銀河系的中心，結果也不是。我們曾期待銀河系是宇宙中唯一且特別的世界，但依然落空。天文學似乎在強迫我們接受這樣一個事實：我們在宇宙中並不處於任何特殊的位置。支撐現代天文學的這一觀點被稱為“哥白尼原理”，它以首次提出地球並非宇宙特殊存在的人——哥白尼的名字命名。
透過此前的經驗和歷史，天文學家們曾認為哥白尼原理是理所當然的宇宙原則。他們認為，無論在何處觀測、朝哪個方向看，宇宙看起來總是大同小異。然而，隨著近期對廣袤宇宙進行各種測繪觀測，人們開始質疑：或許宇宙對所有人而言並不公平。在宇宙中發現了一些巨大的不對稱性和不均勻性，似乎違背了哥白尼原理。
透過實際觀測，我們能否證實或反駁哥白尼原理是否正確呢？為了回答這個問題，我們需要將這個稍顯模糊的哥白尼原理進行更系統、更細緻的拆解。
天文學家將這一觀點大致分為兩個方面來思考。首先，宇宙是“均勻的”。無論觀測者位於何處，從任何位置看，宇宙看起來總是相似的。其次，宇宙是“各向同性的”。觀測者在轉動視角觀察時，宇宙看起來也總是相似的。基於宇宙的均勻性和各向同性，天文學家認為宇宙公平地展現給每一個人。因此，他們自然地認為我們處於宇宙中一個毫無特殊之處的位置。畢竟，宇宙中沒有任何一個地方具有特殊的意義。
實際上，直到十多年前，各種發現和觀測都支援了哥白尼原理。以斯隆數字巡天（SDSS）為代表，完成了全宇宙無數星系立體地圖的各項研究成果表明，在宏觀尺度上，宇宙中的星系分佈總體是均勻的。揭示大爆炸後殘留在宇宙各處熱跡的“宇宙微波背景輻射”觀測也是如此。儘管以高解析度確認了宇宙微波背景輻射中細微的溫度差異和波動，但宇宙在幾乎所有方向上都呈現出相似的圖案。
然而，隨著哈勃、詹姆斯·韋布等更精密的太空望遠鏡以及大型地面望遠鏡的觀測，以前未曾發現的不對稱景象開始顯露。有趣的是，天文學家確認了我們的銀河系附近存在一個星系密度遠低於宇宙平均水平的巨大“空洞”（Void）。這並非指銀河系旁邊那些星系稀疏的小型區域性空洞。
2013年，Ryan Keenan、Amy Barger和Lennox Cowie三位天文學家發現，我們的銀河系位於一個周圍物質密度低於宇宙平均水平的極巨大空洞中。這個巨大空洞的規模竟達20億光年，以發現者的首字母命名為“KBC空洞”或“區域性空洞”。由於它就像宇宙中被打出了一個直徑20億光年的巨大孔洞，因此得名。
我們的銀河系恰好處於一個巨大的空曠區域，這在透過星系運動計算宇宙膨脹率時成為了一個重要問題。因為星系的運動不僅受到其所在的時空膨脹效應影響，還受到鄰近星系間相互引力的共同作用。如果我們的銀河系位於一個物質密度低於宇宙平均水平的巨大空洞中，星系會向密度更高的空洞外側快速移動，這在我們看來，可能導致宇宙膨脹速度看起來比實際更快。如果宇宙本身不是一個完全公平的世界，而我們又是在一個相當獨特的視角下觀察宇宙，那麼我們所看到的宇宙景象就不能完全代表宇宙的整體面貌。
除了這些巨大空洞外，還發現了星系在數億光年尺度上延伸的長條狀細絲或群聚現象。最近，甚至發現了一個跨度長達13億光年的超巨大結構。構成該結構的星系總質量就達到了太陽質量的200京（2×10^18）倍。至少五個相互獨立的超星系團聚集在一起，形成了這個宏偉的超結構。它比我們銀河系所在的超星系團——拉尼亞凱亞超星系團還要重兩倍以上，體積也大出三倍多。
這是迄今為止在宇宙繪圖過程中發現的最大的超結構，它佔據了我們可觀測宇宙總體積的13%，包含的質量佔全宇宙物質總量的25%。正如其體積與質量比例所暗示的那樣，這個超結構中物質的聚集密度遠高於宇宙平均水平。
天文學家為這個巨大的超結構起了一個有趣的名字——“Quipu（奇普）”。奇普是印加文明中用來在繩子上打結記錄數字的工具。此次發現的星系超結構也如同印加文明的奇普一樣，星系像繩子一樣長長地連線在一起。由於沿著宏大的宇宙結構細絲排列的星系看起來就像繩子上連著的一串繩結，因此得名。
對於在數億光年巨大尺度上，星系呈現低於平均密度的分佈（空洞）或高於平均密度的聚集（超結構），單憑現有的標準模型很難解釋。因為無論引入多少暗物質和暗能量，宇宙的膨脹和星系的誕生都應該在全宇宙範圍內均勻發生。至於為什麼宇宙的某些特定區域星系數量會異常多或異常少，至今尚未找到令人滿意的答案。
宇宙可能並非均勻且各向同性的懷疑，在現代天文學和宇宙學中主要表現為兩大難題。第一個是“哈勃張力”，即根據推算宇宙膨脹率的方法不同，得出的結果也不同。通常情況下，利用星系運動推算的膨脹速度比利用宇宙微波背景輻射推算的要快。一些天文學家主張，其原因是由於我們生活在星系密度較低的空洞區域。
第二個是實際宇宙中存在的星系密度分佈差異，與根據宇宙微波背景輻射確認的早期宇宙密度差異推算出的結果不符。這在天文學計算星系分佈密度所使用的引數S8中也有體現，因此被稱為“S8張力”。
哈勃張力和S8張力不僅僅是簡單的測量誤差問題。這是一種非常令人震驚的不一致：基於“宇宙無論在何處、看哪裡看起來都一樣”的假設所作出的計算結果，無法充分反映宇宙的真實面貌。與我們的想法不同，宇宙在宏觀視角下可能並不是那麼均勻的世界，我們也可能正處於應用尚未理解的新物理定律的關口。
擔憂宇宙可能並非均勻且各向同性的原因，在於我們已經進入了一個可以以前所未有的高精度觀測和研究宇宙的時代。物質密度較高的區域會產生更大的時空扭曲，並導致背後的光發生折射和彎曲。根據時空彎曲程度的不同，時間的流逝速度也會發生變化。過去，由於我們觀測到的宇宙本身非常粗糙且精度不夠，因此無需刻意去在意時空扭曲和彎曲光線所造成的差異。
但如今，隨著對宇宙的觀察變得如此精確，連這些細微的差異都必須納入考量，這便成了現代宇宙學的致命問題。換句話說，天文學正處於進入一個新的精密科學領域的過渡期，因此難題才會不斷湧現。
哥白尼原理真的在宇宙任何地方都適用嗎？要最確定地驗證這個答案，我們需要離開地球，在其他地方四處張望並觀測宇宙。然而，我們無法逃離地球這座“監獄”。我們無法得知生活在別處的存在是否也在看著和我們一樣的宇宙，還是看到了一個與我們略有不同的世界。
如果哥白尼原理不適用於整個宇宙會怎樣？在這個宇宙中，可能存在許多像我們一樣對宇宙充滿好奇並積極觀察研究的文明，也許有多少個文明，就有多少種不同的天文理論和宇宙觀。根據居住在宇宙的不同位置，或許正在用不同的天文理論來理解和觀察宇宙。表面上看，哥白尼原理似乎在說我們並不特別，但“宇宙對所有人看起來都公平”的這種願望，或許才是最人性化的錯覺和期待。
參考
https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2025arXiv250119236B/abstract
作者池雄培（音譯）是誰？他熱愛貓和宇宙。兒時在看了《銀河鐵道999》後，立志要向世人傳播宇宙之美。目前在延世大學星系演化研究中心及近宇宙論研究室，研究星系相互作用引發的演化，並進行演講和寫作等多種科學傳播活動。著有《曖昧的天文臺》、《終日思考宇宙》、《星，光的科學》等書籍。