在人类探索宇宙的漫长旅程中,一个令人不安又充满诱惑的念头从未彻底消失:我们所处的浩瀚宇宙,是否正如同银河系中的恒星一样,围绕着一个隐秘的中心缓慢旋转?
长久以来,宇宙学的基石是“宇宙学原理”——它断言宇宙在大尺度上是均匀且各向同性的,没有中心,也没有特殊的优越方向。
从牛顿与马赫关于绝对空间与相对运动的著名争论,到爱因斯坦将相对性原理扩展至整个宇宙建立广义相对论,均匀各向同性的宇宙模型已成为标准宇宙学模型的核心支柱。
然而,近年来一些深空观测发现的“宇宙异常”现象,正迫使科学家们严肃思考:宇宙是否可能真在旋转?
宇宙微波背景辐射(CMB),这来自宇宙大爆炸仅38万年后的“婴儿照”,是窥探宇宙整体性质最强大的探针。
2016年,一个由英国曼彻斯特大学和匈牙利厄特沃什·罗兰大学科学家组成的团队在《自然》杂志子刊发表了一项颠覆性研究。
他们分析了斯隆数字化巡天(SDSS)项目中超过20万个巨大椭圆星系的自转方向数据,结果揭示了一个惊人的模式:在特定方向上的星系,其旋转方向似乎存在统计上的“偏好”,暗示着宇宙可能存在一种大尺度的旋转各向异性。
更早的线索来自对CMB本身的精细测量。欧空局的普朗克卫星以前所未有的精度绘制了CMB全天图,其温度涨落仅为平均温度2.725K的十万分之五左右。
然而,科学家们在这些看似随机的涟漪中,发现了一些难以用标准模型完美解释的“异常”。
四极矩和八极矩的排列,CMB温度涨落可以用类似地球经纬度的“多极矩”分解。标准模型预言不同阶的多极矩之间应无关联。
但普朗克数据显示,低阶的四极矩(l=2)和八极矩(l=3)存在某种神秘的排列对齐,指向了天球上特定的方向(接近黄道面)。
半球不对称性,CMB的涨落强度在天空的不同半球显示出微妙的差异。一个半球似乎比另一个半球“更热”或涨落幅度更大,同样暗示着某种方向性的存在。
面对观测数据的挑战,理论物理学家们开始构建能够容纳宇宙旋转或大尺度各向异性的新模型。这些模型尝试在爱因斯坦的广义相对论框架内进行拓展。
哥德尔宇宙模型, 早在1949年,逻辑学巨匠库尔特·哥德尔就提出了一个允许宇宙整体旋转的精确广义相对论解。
在哥德尔宇宙中,物质均匀分布,但宇宙像一个大陀螺一样旋转。它允许时间旅行,但也因其旋转特性与观测不符(如未观测到巨大的科里奥利力效应)而被视为数学奇观而非现实描述。
现代旋转/各向异性宇宙学模型,当代物理学家尝试构建更符合观测的模型。这些模型引入一个全局旋转场或特殊的矢量场,其效应在宇宙极早期被放大,并在CMB中留下印记。
它们试图解释CMB多极矩的异常排列和半球不对称性,认为这些正是宇宙存在微弱整体旋转或存在一个特殊轴(旋转轴)的证据。
关键点在于,即使是非常微小的整体旋转(例如每十亿年才转1度),也可能在宇宙演化的漫长时间里,通过引力作用对物质分布和光子的传播产生可观测的影响。
宇宙旋转的假说绝非科学界的共识。主流观点对观测异常持谨慎态度。
统计显著性存疑, CMB的异常信号虽然存在,但其统计显著性尚未达到物理发现通常要求的“5西格玛”黄金标准。
普朗克团队在其最终数据发布(2018年)中明确指出,这些异常可能是随机涨落(运气不好)或未被完全理解的系统误差(如仪器效应、数据处理偏差或银河系前景辐射去除不净)造成的。
局部效应解释,星系旋转方向的研究结果也面临挑战。批评者认为,样本选择偏差、星系形成环境的局部影响、甚至光线在传播过程中受到大尺度结构引力透镜效应的扭曲,都可能产生类似关联的虚假信号,未必指向全局旋转。
宇宙学原理的基石地位,标准宇宙学模型(ΛCDM)在解释宇宙大尺度结构、轻元素丰度、宇宙加速膨胀等众多现象上取得了巨大成功。
放弃宇宙学原理这一基石,代价极其高昂。科学家们倾向于寻找在现有框架内解释异常的方法,而非轻易推翻整个体系。
假若未来更精确的观测(如中国西藏阿里原初引力波探测计划、下一代CMB观测卫星LiteBIRD、更大型的星系巡天项目)最终证实宇宙确实存在整体旋转或一个特殊轴,其意义将是非常有特殊性的。
宇宙学原理崩塌,宇宙将不再是无中心、各向同性的。一个绝对的“宇宙中心”或一个特殊的“旋转轴”将获得物理实在性,从根本上动摇现代宇宙学的根基。
新物理的窗口, 这种现象无法用标准粒子物理和广义相对论完美解释,必然指向超越标准模型的新物理。
它可能涉及早期宇宙的相变、新的基本场(如轴子场)、甚至量子引力理论的某些预言。
人类位置的再思考,虽然地球和太阳系绝不可能是这个“宇宙中心”(我们处于宇宙旋转的“边缘”而非“轴心”),但宇宙整体结构存在一个绝对方向,将迫使人类重新审视自身在宇宙中的定位,其哲学冲击不亚于哥白尼将地球移出宇宙中心。
宇宙是否在围绕着一个神秘的中心旋转?
目前,科学家的回答是:存在微妙的线索,理论上有其可能性,但远非定论。这个问题的核心,在于宇宙最根本的对称性——宇宙学原理——是否成立。
普朗克卫星数据中的异常、星系旋转方向的关联性,如同宇宙投向人类认知边界的一道神秘微光。