2021 年底，正在化学系休假的Salvatore Torquato跨过过道，邀请了高等研究院的一位年轻天体物理学家，将统计力学的工具应用到他自己关于星系分布的工作中。

天体物理学家Oliver Philcox对此很感兴趣，他现在是西蒙斯基金会的博士后。随后进行了长达一年的合作。

他们不同寻常的伙伴关系的核心问题很简单：Torquato 在他的整个职业生涯中使用的统计描述符能否在宇宙学等不太可能的地方找到应用，它们能否准确地描述星系分布的复杂性？两个问题的答案：是的。

他们的合作本周在Physical Review X上发表了一篇论文“The Disordered Heterogeneous Universe: Galaxy Distribution and Clustering Across Length Scales”。在其中，研究人员证明他们可以从一些更常用于对材料微观结构进行分类的描述符中发现有关星系空间分布的有用信息。

天体物理学家长期以来一直通过物理宇宙学的标准工具探索有关宇宙大尺度结构的问题。Torquato 和 Philcox 所做的是提供证据，证明一组新的描述符可用于表征跨长度尺度的结构数据，从原子尺度到宇宙中最大尺度……包括宇宙。

Torquato 使用“动物学”一词来概括他在工作中使用的一系列理论和计算技术。他的意思是：应用描述复杂材料微观结构的统计描述符来确定它们在宏观尺度上的物理和化学性质。

Torquato 和 Philcox 在最大规模上应用这些技术来定位相似性，将星系视为由类似于材料中的粒子的单个点组成的云。

“所以，好吧，我有两个空间区域：它可以是星系，然后是星系外的一切。除其他外，你可以用类似于研究材料结构的方式来研究星系之间的空穴，”理论化学家、刘易斯伯纳德自然科学教授、化学教授和普林斯顿材料研究所。

“如果我说，我想在星系之间放一个不接触任何星系的球，我需要多大的球？您可以将该统计问题应用于任何复杂的结构，无论是星系的分布还是原子的分布。这就是它的美妙之处。

“有趣的是，”他补充说，“宇宙的独特结构为确定更好的描述陆地物质的描述符提供了新的挑战。”

Oliver Philcox，以前是普林斯顿天体物理科学系的研究生，现在是西蒙斯基金会的博士后。

照片由奥利弗·菲尔考克斯提供

Philcox 曾是普林斯顿天体物理科学系的一名研究生， 他接受了这种“动物学”来扩大自己的工具箱。一个关键的例子是他对配对连通性函数的使用，Philcox 将其定义为一种通过查看点对的分布来表征材料的特定方法。 

Philcox 说：“与 Sal 一起深入研究动物学肯定会导致材料科学中使用的一些有趣的统计发现，这些发现可以用于宇宙学，但还没有，配对连接函数是最值得注意的一个。” “传统的宇宙学统计回答了这样一个问题：如果我随机选择两个点，它们之间的间隔概率是多少？

“配对连接函数做类似的事情，但包括拓扑信息。从本质上讲，它将材料中的粒子组合成相互连接的结构，然后查看该结构内两点之间的分离分布，而不是全局分布。”

使用这个和其他函数，研究人员能够生成数字表，作为跨长度尺度的有序或无序的度量。当应用于星系之间的空间关系问题时，这些工具强调了一种相关的无序——一种“绝对”不是随机的复杂结构特性。

“在宇宙的结构中有大量的详细信息，所以我们问，是否有减少的信息，你可以通过这些统计工具以智能的方式提取——显着的、减少的信息——然后基本上可以重现所有这些信息细节？” Torquato 说。

“我们提出的关于大尺度结构的问题与宇宙学家一直使用更多标准描述符提出的问题完全相同：我们如何描述这种结构；我们如何描述它；我们如何量化它；就物理学而言，我们能从中得到什么，”他补充道。“我们只是在使用一些新的理论工具来做到这一点。”

Philcox 补充说：“我认为这是一个重要的信息，即有一些概念上非常简单的工具可以让我们提取关于宇宙的新信息，特别是关于它的聚类，这与已经使用的东西完全正交。我们很高兴看到这些如何在实践中使用。”

Oliver HE Philcox 和 Salvatore Torquato 的“无序异质宇宙：星系在长度尺度上的分布和聚类”出现在 3 月 14 日的 Physical Review X (DOI: 10.1103/PhysRevX.13.011038) 上。该研究得到了 西蒙斯学会、高级研究所和普林斯顿计算研究中心的支持。

注：本文由院校官方新闻直译，仅供参考，不代表指南者留学态度观点。