引力怎样把物质织成宇宙网

一开始，只需要一点不均匀

把一大片空间分成许多小格。若某几格里的物质稍多一点，周围物质受到的引力就有一点偏向。更多物质流进来，原先微弱的密度差便逐渐放大。这样的局部差别，叫密度起伏。

这个过程发生在一个整体膨胀的宇宙里。起伏刚开始增长时，两处物质可能仍在远离，只是比平均膨胀分开得慢。随着聚集加强，足够密的区域才会真正转向收缩。平均空间在变大，局地引力聚集仍然可以继续。

问题不只是“引力会不会把东西吸到一起”。还要问：哪几个方向上的物质更快地靠拢，周围哪些地方在把物质送过来。形状就藏在这些方向差别里。

在一小团相邻物质外画一个盒子。若盒子每一处都得到完全相同的加速度，它只是一起移动；改变形状，需要盒子两端受到不同的拉动。引力在邻近位置的这种差别，称为潮汐作用。它可以沿一个方向挤压，同时让别的方向收缩得慢一些，甚至伸长。

想象盒子沿上下方向先变薄，左右和前后还展开着，物质便集中到一张片附近。若另外一个方向也挤紧，就能留下细长的结构。这里的“先”只指这一小块如何变形。整座宇宙并没有统一的施工时间表。

Zel’dovich在1970年提出一个简洁的位移近似：先用初始引力确定运动方向，再让位移随宇宙演化放大。它把这种不等速的压缩画得很清楚，也指出了地图第一次折叠的地方。

一张宇宙网并不是许多孤立小盒各自坍缩之后，再随意接起来。一个位置的引力来自周围很大范围的物质。邻近密集区怎样分布，会让不同地方的运动方向彼此关联。

Bond、Kofman和Pogosyan在1996年的工作强调了这层联系：后来醒目的丝状网络，在早期密度与潮汐场中已经有较宽、较弱的线索。相近的密集峰若有合适的形变方向，它们之间的物质桥会更连贯；距离变远或方向错开，联系会减弱。后来的引力演化把这些联系压得更窄、更鲜明。

这也解释了为什么只看局部的一次片状折叠，还不足以读懂整张网。片、丝和结点的相互位置，带着初始分布的空间联系。被物质流出的区域则越来越稀，形成网孔般的空洞；空洞里仍有物质。

在冷暗物质常用的无碰撞近似里，粒子之间的直接碰撞很少，物质流相遇时可以互相穿过。引力仍在改变它们的速度，却没有一层气体激波把这些流立即拦住。

给原来的物质层分别做上标签。开始时，一个位置只对应一股流；压缩到后来，不同标签会到达同一位置。这叫壳层穿越。名字里的“壳”不要求球形，一排平面物质层也能互相穿越。每个标签仍能跟着自己的物质走，只是从一个位置反查它来自哪一层，答案开始不止一个。

这时只画密度，会把几股流叠在一起。再加上速度，一股朝左、另一股朝右的物质就分开了。把位置和速度一起描述的空间，叫相空间。密度图里的一个结点，可以容纳仍在快速运动的不同流。

位移近似能继续画出折叠的线。要跟随穿越以后更长的运动，还得让引力回应已经改变的密度。粒子网格方法所做的，就是反复统计物质到了哪里、重新求引力，再推进下一小段运动。把重叠位置上速度不同的物质分开，我们就能接着追踪各股流之后的路。