在探索浩瀚宇宙的征途中,一個(gè)既令人不安又極具吸引力的假設(shè)始終縈繞在科學(xué)家心頭:我們所處的宇宙,是否如同銀河系中的星星,正圍繞著某個(gè)隱秘的中心緩緩旋轉(zhuǎn)?
長(zhǎng)久以來(lái),宇宙學(xué)一直建立在“宇宙學(xué)原理”的基石之上,這一原理斷言宇宙在大尺度上是均勻且各向同性的,既無(wú)中心也無(wú)特殊方向。從牛頓與馬赫關(guān)于絕對(duì)空間與相對(duì)運(yùn)動(dòng)的爭(zhēng)論,到愛(ài)因斯坦將相對(duì)性原理擴(kuò)展至整個(gè)宇宙,從而建立廣義相對(duì)論,均勻且各向同性的宇宙模型已成為標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型的核心。

然而,近年來(lái)的一些深空觀測(cè)結(jié)果卻揭示了所謂的“宇宙異常”,迫使科學(xué)家們重新審視宇宙是否真在旋轉(zhuǎn)的可能性。宇宙微波背景輻射(CMB),這一來(lái)自宇宙大爆炸后僅38萬(wàn)年的“嬰兒照”,成為了窺探宇宙整體性質(zhì)的重要工具。
2016年,一個(gè)由英國(guó)曼徹斯特大學(xué)和匈牙利厄特沃什·羅蘭大學(xué)科學(xué)家組成的團(tuán)隊(duì)在《自然》雜志子刊上發(fā)表了一項(xiàng)具有顛覆性的研究。他們分析了斯隆數(shù)字化巡天(SDSS)項(xiàng)目中超過(guò)20萬(wàn)個(gè)巨大橢圓星系的自轉(zhuǎn)方向數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)了一個(gè)驚人的模式:在特定方向上的星系,其旋轉(zhuǎn)方向似乎存在統(tǒng)計(jì)上的“偏好”,這暗示著宇宙可能存在一種大尺度的旋轉(zhuǎn)各向異性。
更早之前,對(duì)CMB本身的精細(xì)測(cè)量也提供了一些線(xiàn)索。歐空局的普朗克衛(wèi)星以前所未有的精度繪制了CMB全天圖,科學(xué)家們?cè)谶@些看似隨機(jī)的漣漪中發(fā)現(xiàn)了一些難以用標(biāo)準(zhǔn)模型解釋的“異常”。例如,低階的四極矩和八極矩存在某種神秘的排列對(duì)齊,指向了天球上特定的方向,同時(shí)CMB的漲落強(qiáng)度在天空的不同半球也顯示出微妙的差異。

面對(duì)這些觀測(cè)數(shù)據(jù)的挑戰(zhàn),理論物理學(xué)家們開(kāi)始嘗試構(gòu)建能夠容納宇宙旋轉(zhuǎn)或大尺度各向異性的新模型。早在1949年,邏輯學(xué)巨匠庫(kù)爾特·哥德?tīng)柧吞岢隽艘粋€(gè)允許宇宙整體旋轉(zhuǎn)的廣義相對(duì)論解,即哥德?tīng)栍钪婺P汀H欢@個(gè)模型雖然允許時(shí)間旅行,但因旋轉(zhuǎn)特性與觀測(cè)不符而被視為數(shù)學(xué)奇觀。
當(dāng)代物理學(xué)家則嘗試構(gòu)建更符合觀測(cè)的模型,引入全局旋轉(zhuǎn)場(chǎng)或特殊的矢量場(chǎng)來(lái)解釋CMB多極矩的異常排列和半球不對(duì)稱(chēng)性。這些模型認(rèn)為,這些異常正是宇宙存在微弱整體旋轉(zhuǎn)或存在一個(gè)特殊軸(旋轉(zhuǎn)軸)的證據(jù)。即使是非常微小的整體旋轉(zhuǎn),也可能在宇宙演化的漫長(zhǎng)時(shí)間里對(duì)物質(zhì)分布和光子的傳播產(chǎn)生可觀測(cè)的影響。

然而,宇宙旋轉(zhuǎn)的假說(shuō)并未成為科學(xué)界的共識(shí)。主流觀點(diǎn)對(duì)觀測(cè)異常持謹(jǐn)慎態(tài)度,認(rèn)為CMB的異常信號(hào)雖然存在,但其統(tǒng)計(jì)顯著性尚未達(dá)到物理發(fā)現(xiàn)的黃金標(biāo)準(zhǔn)。普朗克團(tuán)隊(duì)在其最終數(shù)據(jù)發(fā)布中指出,這些異常可能是隨機(jī)漲落或未被完全理解的系統(tǒng)誤差造成的。
星系旋轉(zhuǎn)方向的研究結(jié)果也面臨挑戰(zhàn)。批評(píng)者認(rèn)為,樣本選擇偏差、星系形成環(huán)境的局部影響等都可能產(chǎn)生類(lèi)似關(guān)聯(lián)的虛假信號(hào),未必指向全局旋轉(zhuǎn)。標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型(ΛCDM)在解釋宇宙大尺度結(jié)構(gòu)、輕元素豐度、宇宙加速膨脹等眾多現(xiàn)象上取得了巨大成功,因此科學(xué)家們傾向于尋找在現(xiàn)有框架內(nèi)解釋異常的方法。

盡管如此,隨著未來(lái)更精確的觀測(cè)項(xiàng)目的推進(jìn),如中國(guó)西藏阿里原初引力波探測(cè)計(jì)劃、下一代CMB觀測(cè)衛(wèi)星LiteBIRD以及更大型的星系巡天項(xiàng)目,科學(xué)家們或許能夠揭開(kāi)宇宙旋轉(zhuǎn)之謎。若這些觀測(cè)最終證實(shí)宇宙確實(shí)存在整體旋轉(zhuǎn)或一個(gè)特殊軸,那么宇宙學(xué)原理將受到根本性挑戰(zhàn),現(xiàn)代宇宙學(xué)的根基或?qū)?dòng)搖。這將開(kāi)啟一個(gè)全新的物理窗口,指向超越標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理領(lǐng)域。





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