为何“虚无”并非一无是处

“空间”无疑是我们宇宙的恰当昵称，因为它确实浩瀚无垠。

从这里到大约二十五万英里外的月球之间，几乎空无一物——只有零星的氢、氦和偶尔出现的尘埃颗粒。在更宏大的尺度上，这种贫瘠变得难以想象的广阔。一个荒凉、几乎没有恒星的250万光年（近15万万亿英里）的鸿沟，将我们的家园星系银河系与其最近的大型邻居仙女座星系隔开。

然而，与宇宙尺度相比，银河系和仙女座星系近在咫尺。就像邻居们透过窗户尴尬地瞥见彼此一样，我们用肉眼就能看到仙女座星系，它是其同名星座中一个发光的模糊斑点。宇宙中绝大多数星系也同样聚集在一起。它们聚集成相当于邻里、城市和相互连接的大都市，在天文学术语中被称为星系群、星系团和星系长城。例如，在我们的本星系群中，大约50多个星系依偎在一个1000万光年长的哑铃形空间内。

与这些通常紧密相连的星系群落相比，巨大的空洞区域是偏远之地。例如，在牧夫座空洞中，这个横跨2.5亿光年的球形田园区域只有几十个小型星系点缀其中。（而一个更“城市化”的太空区域，在同样大的体积内可能聚集着10000个星系。）德国海德堡马克斯·普朗克天文学研究所的研究员凯瑟琳·克雷克尔（Kathryn Kreckel）说：“空洞星系是最孤独的星系。”

近几十年来，我们了解到这些空洞腹地，而非星系大都市，实际上才是宇宙的常态。费城德雷克塞尔大学的天体物理学家迈克尔·沃格利（Michael Vogeley）说：“空洞占据了宇宙的大部分。”“我们发现宇宙中超过60%的区域是空洞。”

空洞曾被认为是无趣的偏远地区，但在天体物理学的多个领域中，它们正成为新的热点。“空洞是一个相对较新的领域，但人们对此很兴奋，”宾夕法尼亚大学天体物理学教授布夫内什·贾殷（Bhuvnesh Jain）说。由于其深邃的空虚，空洞为检验宇宙为何呈现出当前样貌和行为方式提供了独特的实验室。天文学家可以通过研究空洞来解决暗物质，尤其是暗能量这些宇宙学难题。

沃格利说：“空洞是寻找暗能量特征的最佳场所。”如果这些特征从未出现，空洞反而可能扼杀暗能量，从而引入新的引力形式甚至一种新的自然力。如果这些还不够，研究那些罕见的、将空洞作为家园的孤独星系，将有助于阐明所有星系在宇宙亿万年间是如何演化的。

事实上，正如一篇十年前的天文学期刊论文风趣地指出，空洞科学——借用莎士比亚的话说——是无事生非（much ado about nothing）。

编织宇宙网

宇宙星系分布中存在巨大空洞的最初迹象出现在20世纪70年代末，当时天文学家开始描绘宇宙的三维结构。他们依靠星系光的红移来估算它们各自的距离：星系越远，膨胀的宇宙将其光线拉伸到光谱红色端的程度就越大。这些红移星系的位置勾勒出了空洞的形状。巨大的牧夫座空洞于1981年以这种方式被发现，六年之后，又出现了以其枯燥名称命名的本地空洞，它环绕着我们的本星系群。

这些新发现的空洞颠覆了宇宙是平滑均匀马赛克的传统观念。我们了解到，宇宙类似于瑞士奶酪或泡沫，星系成千上万地聚集在巨大的空腔周围。

科学家认为这种“宇宙网”，用更专业的术语来说，源于138亿年前大爆炸中原始宇宙的涨落。暗物质——这种神秘的、无形的物质被认为构成了宇宙80%的物质——在这里那里聚集，通过引力将普通物质吸引过来。随着宇宙的膨胀和成熟，这些物质过密区域凝结成星系团，而密度不足的空洞则变得越来越空。多年来，宇宙网中发光的部分一直吸引着宇宙学家的注意力，他们试图解释暗物质、引力和宇宙的展开。没有人太关心空洞。“我记得很多著名的宇宙学家很长时间都说，‘哦，空洞，它们不重要，’”格罗宁根大学天体物理学家、空洞研究领域的先驱里恩·范德维加特（Rien van de Weygaert）说，“我一开始受到了很多抨击。”

在过去的20年里，范德维加特和他的同事们已经证明，空洞不仅仅是虚无、被动的地方。空洞会随着时间而变化，实际上会促使宇宙中的大量星系形成其丝状结构。范德维加特推断，要知道宇宙是如何从那里发展到这里的，我们必须对其有一个整体的理解。他说：“你需要了解空洞的演化，才能理解我们称之为宇宙网的这种网状结构的整个发展。”

填补空缺

对空洞特征及其如何塑造宇宙的真正深入了解，始于2000年启动的斯隆数字巡天（Sloan Digital Sky Survey），这是迄今为止规模最大的红移巡天。“人们已经识别出单个空洞，”贾殷说，“但要拥有一个完整的空洞群体进行研究，只有在斯隆巡天之后才成为可能。”

斯隆和其他新的巡天现在已经发现了数千个空洞。总的来看，我们正在了解到它们通常呈椭圆形，在现代、附近的宇宙中跨越5000万到1.5亿光年。然而，几十亿年前，空洞往往更小。这表明它们正在增长，在某些地方合并，挤压并集中它们之间的暗物质和发光物质。“空洞以分层的方式演化，”范德维加特说，“它们像厨房水槽里的肥皂泡一样，逐渐聚集成更大的气泡，你会看到泡沫合并成更大的气泡。”

模拟和观测表明，随着空洞的增长，它们也会变得越来越空。这些低密度区域的引力吸引力低于周围高密度、星系密布的区域，而质量会不断吸引质量。随着宇宙膨胀，空洞实际上起到了排斥作用，将物质推向其更巨大、星系密布的边缘。“你看到了这些家伙的排斥性质，”范德维加特说，“你看到它们真的在推动物质。”

看看本星系群。我们银河系居民，连同我们的星系邻居，正以每秒392英里的速度朝向附近最巨大的天体——大引力源（位于矩尺座、半人马座和长蛇座星系团附近的一个区域）移动。夏威夷大学天文学研究所的布伦特·塔利（Brent Tully）利用附近星系的运动来调查他共同发现的本空洞的排斥效应。随着它不断膨胀和清除物质，这个空洞为本星系群的总速度贡献了巨大的每秒161英里（约40%）。“那是一次美丽的调查，”范德维加特说，“你对空洞在构建结构中的重要性有了非常好的认识。”

作用中的力

空洞的重要性远不止于此。20世纪90年代末，科学家们震惊地发现宇宙的膨胀正在加速，而且这种加速似乎已经持续了其寿命的一半以上。没有任何宇宙学理论能够轻易解释一个似乎一心想要将自己撕裂的宇宙。

对于这一惊人发现，出现了两种思想流派。一种假设我们所知的引力，即阿尔伯特·爱因斯坦广义相对论所阐述的引力是正确的，但空间本身也产生了一种奇异的能量，将宇宙推向分离——这就是暗能量。

另一种学派认为爱因斯坦引力存在缺陷。它在描述小尺度相互作用（如太阳系中行星的轨道）方面表现出色，但在广阔的宇宙尺度上，引力可能表现不同——这是所谓修正引力理论背后的思想。一些科学家推测，这种修正甚至可能归因于一种听起来神秘的自然界“第五种力”，它与引力、电磁力和强弱核力并列。

无论如何，研究人员希望空洞能帮助天文学家理解这些现象。与我们目前大部分研究集中在星系密布、物质充盈的区域相比，空洞应该“感受”到暗能量或修正引力更大的放大效应，因为它们缺乏产生引力的物质作为平衡。

德雷克塞尔大学的沃格利说：“暗能量‘吹胀’了空洞，从这个意义上说，暗能量首先在空洞中占据主导地位，推动了宇宙的加速。”爱丁堡大学的蔡燕川（Yan-Chuan Cai）对他在寻找的第五种力也持相似看法：“宇宙空洞是低密度环境，预计第五种力在那里会更活跃，”他说，因此它们“也许是检验修正引力更好的实验室。”

沃格利、蔡和他们领域中的其他研究人员对测量空洞的形状、大小、分布和质量（它们确实有一些质量——它们只是几乎空无一物）非常感兴趣，就像我们已经对星系和星系团所做的那样。所有这些特性都取决于作用中的基本力的强度，无论它们是否包括引力、暗能量或一种幻象般的第五种力。我们对空洞了解得越多，我们就越了解是什么在将宇宙推向分离。

分析“虚无”

迄今为止，我们关于空洞的大部分知识仅限于它们的位置和大小。更糟糕的是，这些数据是不确定的，取决于用于识别空洞的技术。“我们仍然没有一个普遍的空洞定义，”范德维加特指出。

判断空洞秘密藏匿和驱逐的物质数量也很棘手。为了更好地“称量”空洞，宾夕法尼亚大学研究生约瑟夫·克拉姆皮特（Joseph Clampitt）和他的导师贾殷（Jain）最近改进了一种称为引力透镜的技术。像星系超星系团这样的大质量前景物体会扭曲来自背景物体的光线，类似于放大镜或哈哈镜。克拉姆皮特和贾殷表明，空洞会发生相反的效果。低密度区域不是聚焦光线，而是将其弯曲，使其偏离弧线，射向更高质量的区域。这种引力“去放大”的程度揭示了空洞含有多少质量以及其位置，让我们能够看到随着空洞的清空和膨胀，其数量在时间上发生了怎样的变化。宾夕法尼亚大学的研究人员打算使用这种方法来确定空洞驱逐物质的速度，然后看看哪种引力理论最接近。

同时，对于第五种力的倡导者来说，空洞在科学上也极具吸引力。“第五种力在不同环境下可能表现不同，”蔡解释道。它可能在局部尺度上（比如太阳系中），或者在任何物质散布的环境中（比如星系团）都无法测量。为什么？一个被称为“变色龙场”的理论“屏蔽”机制，它在物质存在的情况下会抑制第五种力。空洞，大部分不含物质，将是观测第五种力而不受这种变色龙伪装影响的最佳场所。

就理论而言，暗能量——尽管充满了神秘——目前是最佳选择，而变色龙场和第五种力则希望渺茫。但是，随着我们以更高的精度确定空洞在宇宙历史上的排斥力，后者可能仍会胜出。蔡说：“空洞中的排斥力驱使空洞更快更大地增长。”“空洞的空旷程度，与第五种力的活跃程度息息相关。”

深渊中的岛屿

尽管空洞为宇宙结构和基本力的宏大问题提供了见解，但它们对星系增长的说明可能最具意义。“空洞星系是稀有而有趣的天体，”沃格利说，“与星系团中（宇宙的‘城市’）研究充分的星系相比，我们对空洞中星系的性质知之甚少。”

关于星系如何演化的传统观点假设一个从小型到中型再到大型的层级式积累，就像空洞一样。早期宇宙中产生的小型星系吸引了它们的年轻伙伴星系，它们聚集成更大的星系。此后发生的多次星系合并轮次，造就了我们银河系和附近的仙女座星系这样巨大的星系。

然而，空洞星系却反社会地跳过了星系合并。它们被华丽地孤立着，几乎完全在稀疏的环境中独立演化。“这是研究空洞星系的原因之一，”克雷克尔说，“它们可能代表了演化程度较低的星系。”因此，空洞星系可能为我们提供了一个窗口，让我们了解最初的星系是什么样子，从而揭示原始宇宙的状况。

迄今为止，最富有成效的努力之一是名为“空洞星系巡天”（Void Galaxy Survey）的项目。范德维加特、格罗宁根大学的同事泰斯·范德赫尔斯特（Thijs van der Hulst）、克雷克尔以及其他“空洞帮”成员（他们自称）从斯隆数字巡天中筛选出60个最孤立的空洞星系。天基和地基望远镜进一步观测了这些隐居的星系，以探究它们的形状、恒星形成率和其他星系生命迹象。

基于这个小样本，空洞星系让研究人员感到困惑。范德赫尔斯特说：“最初给我们的印象是，空洞中的星系与星系长城中的星系没有太大区别，这让我们有些惊讶。”空洞星系如预期般微小。然而，它们仍然充满活力。在可见光下，空洞星系平均而言比密集区域的星系更蓝，这归因于大量巨大、偏蓝色恒星发出的星光。这些恒星寿命不长，因此它们的存在意味着近期有恒星形成爆发。恰如其分的是，观测显示许多空洞星系确实拥有生成新恒星所需的充足气体，甚至比在其他地方看到的“正常”星系还要多。

这些与“城市”星系出乎意料的相似之处表明，传统的层级模型（其中星系像乐高积木一样堆叠成更大的宇宙结构）可能不是全貌。沃格利说：“空洞星系是我们星系形成理论的有力检验。”也许，一些——甚至大多数——星系可能只是通过吸收周围环境中的可用气体而随着时间推移变得更大。如果这种星系燃料确实存在于空洞中，并且我们能够找到它，那么所谓的星系演化吸积理论就可以解释为什么空洞星系看起来不像它们的“大都市”表亲那样土气。

如果目前对暗能量或其更神秘的同类物质的估算正确，宇宙将以越来越快的速度持续膨胀。空洞将变得越来越大，最终几乎占据空间中的所有空间。遥远的星系将从视线中消失，随之而去的还有宇宙的历史。即使是我们本星系群中的星系，最终也可能会相互吞噬，或随着虚空的统治而四散飞离。

如果数十亿年后人类文明仍有遗迹，而宇宙的奥秘仍未解开，我们的后代可能只会凝视着一片包罗万象的深渊——那不仅仅是太空，而是真正意义上的虚无。