20世紀(jì)初，英國數(shù)學(xué)家劉易斯·弗萊·理德查森走在英國海岸線的時候，突然發(fā)現(xiàn)一件有趣的事：不論是海岸線本身還是海岸線上礁石的邊緣，不論他如何放大其中的一部分，看起來都和整體沒什么區(qū)別。而且分得越精細(xì)，其周長越大。

類似的情況有很多，1904年是瑞典數(shù)學(xué)家科赫提出，假設(shè)有一個三角形，我們以它每一個邊的兩個三等分點作為邊作出一個新的等邊三角形，可以無限分下去。這就是著名的科赫三角形。

類似的形狀有很多，比如謝爾賓斯基三角形——

比如康托爾集——

直到1973年，數(shù)學(xué)家伯努瓦·芒德布羅首次給類似的現(xiàn)象起了個名字——分形，他也由此被稱為分形之父。

所謂的分形，就是像上面介紹的圖形一樣，具有自相似性，也就是單獨取一小部分來看，其實和整體的形狀是一樣的。這種分形不僅僅存在于數(shù)學(xué)中，在我們的生活里也十分常見，比如羅馬花椰菜——

樹枝——

雪花——

甚至，是我們的宇宙——

（圖片說明：哈勃超深場圖）

分形宇宙

關(guān)于宇宙是分形結(jié)構(gòu)的這個說法，也是來自于芒德布羅。他認(rèn)為，如果在我們地球上，分形就已經(jīng)無處不在了，那我們有什么理由不認(rèn)為宇宙就是一個分形呢？

實際上，在很久以前，人們就開始思考宇宙中的規(guī)律。這門學(xué)問，被稱為宇宙學(xué)原理。人們認(rèn)為，任何客觀存在的物質(zhì)都有著屬于它們自己的規(guī)律，宇宙也不例外。牛頓找到了其中一個特征，那就是萬有引力；而芒德布羅則從分形的角度，來思考宇宙所具備的性質(zhì)。

大約100年前，美國天文學(xué)家埃德溫·哈勃確定了河外星系的存在。從此人們意識到：銀河系不代表整個宇宙，它和無數(shù)個星系構(gòu)成了今天的宇宙。根據(jù)目前的研究結(jié)果，可觀測宇宙中大約有20000億個大大小小、形形色色的星系。

當(dāng)我們觀測這些星系的時候，就會發(fā)現(xiàn)宇宙的確有可能是一個分形結(jié)構(gòu)。它在每個方向上看去，似乎都是一樣的，不論你處在宇宙的哪個角落看，都是如此，這就是宇宙學(xué)原理中比較流行的一種理論——宇宙的各向同性。

如果單純地看太陽系甚至是銀河系，你會發(fā)現(xiàn)宇宙的確并不完全對稱。這里有太陽，那里沒有，木星在這一側(cè)，土星在另一側(cè)……

但是，當(dāng)你將尺度放大到2億光年、3億光年，就會發(fā)現(xiàn)宇宙在各個方向上幾乎完全是一樣的。這里有星系，那里也有，這里有這么多，那里也有這么多。甚至你放大一些，還是同樣的情況。

1995年12月18日至28日，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡拍攝了著名的哈勃深空場圖。這張占據(jù)了全天1/2400萬的小區(qū)域放大之后，隱藏著大量遙遠(yuǎn)的星系。

（圖片說明：哈勃深空場圖）

2012年9月25日，哈勃更進(jìn)一步，對一片占據(jù)了天空1/3200萬的區(qū)域進(jìn)行了長時間的曝光拍攝，獲得了哈勃極端深場圖像。事實證明，如果乍看一樣，你確實很難分辨它與哈勃深空場以及更上面的哈勃超深場圖之間的區(qū)別。

（圖片說明：哈勃極端深場）

如此看來，宇宙的確具有各向同性，而且類似于一種分形結(jié)構(gòu)。

分形宇宙網(wǎng)

不過，對于宇宙整體是否真的是一個分形結(jié)構(gòu)，還是有人提出質(zhì)疑的。隨著人類對宇宙觀測的不斷深入，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)這些星系并不是獨立存在的，而是成群成群地組成了星系團(tuán)結(jié)構(gòu)。比如我們的銀河系，就位于一個包含了大約50個星系的星系團(tuán)——本星系團(tuán)中。

星系團(tuán)不是宇宙最大的結(jié)構(gòu)，其上還有超星系團(tuán)。而超星系團(tuán)之上，還有更加巨大的結(jié)構(gòu)——宇宙網(wǎng)，其直徑甚至可以達(dá)到幾十億甚至一百億光年。如果以這樣的宇宙網(wǎng)為單位來觀測宇宙的話，各向同性就要遭受挑戰(zhàn)了。

有些科學(xué)家認(rèn)為，宇宙本身并非是分形的，但宇宙網(wǎng)卻具備分形的特征。這些宇宙網(wǎng)的形狀就如同名字所形容的那樣，呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。每個交點處，都有著比較密集的暗物質(zhì)團(tuán)塊。這里的引力非常強(qiáng)，正是它們吸引物質(zhì)靠近，從而在宇宙早期形成了星系，并且讓星系們在今天形成了星系團(tuán)等結(jié)構(gòu)。

在這些暗物質(zhì)網(wǎng)內(nèi)，我們可以看到分形的蹤跡。暗物質(zhì)暈里，還有子暗物質(zhì)暈，甚至是子子暗物質(zhì)暈。

而在一些所謂星系密度極低的宇宙空洞里，我們會發(fā)現(xiàn)它們并非是真的什么都沒有，其內(nèi)部也有一些矮星系存在。而有趣的是，這些矮星系似乎也構(gòu)成了一個相對小一點的宇宙網(wǎng)。而根據(jù)計算機(jī)模擬的結(jié)果，這些宇宙空洞內(nèi)部的小空洞里，似乎也有屬于它們自己的小宇宙網(wǎng)。

按照這樣的情況來看，宇宙整體并非是分形的，這意味著芒德布羅提出的理論應(yīng)該是不成立的。即便如此，在宇宙中，我們?nèi)匀荒軌蛘业椒中蔚暮圹E。

更高級的智慧

不論是分形還是宇宙的結(jié)構(gòu)，看起來都是一種帶有形而上學(xué)意味的理論。在它們的背后，都可能隱藏著更加高級的智慧，這仍有待于人類的探索。

正如著名的物理學(xué)家惠勒所說的那樣：

誰不知道熵概念，那就算不上是一個在科學(xué)方面有文化的人，將來誰不知道分形的概念，也不能稱為有知識。

同樣的，宇宙學(xué)原理也是這樣的一種學(xué)問——不僅僅具備基本的知識性，而且是人類進(jìn)步的一個臺階。

科學(xué)家估計，大約到本世紀(jì)末，我們對于宇宙的結(jié)構(gòu)就會有一個飛躍式的了解了。目前，我們也有類似于斯隆數(shù)字巡天這樣的項目在對宇宙進(jìn)行著觀測，它已經(jīng)繪制了大量星系的位置，并且?guī)椭覀兞私膺@些星系之間的關(guān)聯(lián)。到本世紀(jì)末，我們應(yīng)該會對數(shù)百萬個星系的位置信息有所了解，這對于我們了解宇宙結(jié)構(gòu)將有極大的意義。

當(dāng)然，我們這樣的觀測，仍然還是停留在三維空間的視角，尋找三維空間里的規(guī)律?；蛟S，當(dāng)我們有能力以四維時空的角度來審視宇宙結(jié)構(gòu)時，又會有不同的發(fā)現(xiàn)了。