宇宙中充斥著星系，在大尺度上，這些星系表現(xiàn)出絲狀圖案，稱為宇宙網(wǎng)。這種宇宙物質(zhì)的異質(zhì)分布在某些方面就像松餅中的藍(lán)莓，其中物質(zhì)聚集在某些區(qū)域，但在其他區(qū)域可能缺乏。

基于一系列模擬，研究人員已經(jīng)開(kāi)始通過(guò)將星系的分布視為點(diǎn)的集合(就像構(gòu)成材料的單個(gè)物質(zhì)粒子)而不是連續(xù)分布來(lái)探索宇宙的異質(zhì)結(jié)構(gòu)。

這種技術(shù)使為材料科學(xué)開(kāi)發(fā)的數(shù)學(xué)應(yīng)用能夠量化宇宙的相對(duì)無(wú)序，從而能夠更好地理解其基本結(jié)構(gòu)。

“我們發(fā)現(xiàn)宇宙中星系的分布與傳統(tǒng)材料的物理性質(zhì)完全不同，具有自己獨(dú)特的特征，”該研究的共同作者Oliver Philcox解釋說(shuō)。

這項(xiàng)工作現(xiàn)已發(fā)表在《物理評(píng)論X》上，由高級(jí)研究所的常客和普林斯頓大學(xué)化學(xué)和物理系的自然科學(xué)教授薩爾瓦多·托爾夸托(Salvatore Torquato)進(jìn)行;奧利弗·菲爾科克斯(Oliver Philcox)于2020年2022月至<>年<>月在該研究所擔(dān)任訪問(wèn)博士生，現(xiàn)在是哥倫比亞大學(xué)西蒙斯研究員協(xié)會(huì)的初級(jí)研究員。

兩人分析了普林斯頓大學(xué)和熨斗研究所生成的公共模擬數(shù)據(jù)。1個(gè)模擬中的每一個(gè)都由十億個(gè)暗物質(zhì)“粒子”組成，其星團(tuán)由引力演化形成，作為星系的代表。

該論文的主要結(jié)果之一涉及通過(guò)對(duì)連接函數(shù)在拓?fù)渖舷嗷ミB接的星系對(duì)的相關(guān)性。

基于這一點(diǎn) - 以及異質(zhì)介質(zhì)理論中出現(xiàn)的一系列其他描述符 - 研究小組表明，在最大的尺度上(大約幾百兆秒差距)，宇宙接近超均勻性，而在較小的尺度上(高達(dá)10兆秒差距)，它變得幾乎反超均勻和強(qiáng)烈不均勻。

“秩序與無(wú)序之間的感知轉(zhuǎn)變?cè)诤艽蟪潭壬先Q于規(guī)模，”托爾夸托說(shuō)。“喬治·修拉(Georges Seurat)在畫作《大賈特的星期天》中的點(diǎn)彩畫技術(shù)產(chǎn)生了類似的視覺(jué)效果;從遠(yuǎn)處近距離觀看時(shí)，作品顯得無(wú)序有序。就宇宙而言，秩序和無(wú)序的程度更加微妙，就像羅夏墨跡測(cè)試可以用無(wú)數(shù)種方式解釋一樣。

統(tǒng)計(jì)工具，特別是最近鄰分布、聚類診斷、泊松分布、滲透閾值和對(duì)連通性函數(shù)，使研究人員能夠開(kāi)發(fā)一個(gè)一致且客觀的測(cè)量階次框架。因此，他們的發(fā)現(xiàn)雖然是在宇宙學(xué)背景下做出的，但轉(zhuǎn)化為許多其他動(dòng)力學(xué)物理系統(tǒng)。

這項(xiàng)跨學(xué)科工作結(jié)合了宇宙學(xué)和凝聚態(tài)物理學(xué)的技術(shù)，對(duì)這兩個(gè)領(lǐng)域都有未來(lái)的影響。除了星系的分布之外，宇宙的許多其他特征都可以用這些工具探索，包括宇宙空洞和在宇宙再電離階段形成的電離氫氣泡。

相反，在宇宙中發(fā)現(xiàn)的新現(xiàn)象也可能提供對(duì)地球上各種物質(zhì)系統(tǒng)的洞察。該團(tuán)隊(duì)認(rèn)識(shí)到，在這些技術(shù)應(yīng)用于真實(shí)數(shù)據(jù)之前，還需要做更多的工作，但這項(xiàng)工作提供了一個(gè)具有巨大潛力的強(qiáng)大概念驗(yàn)證。

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