在探索浩瀚宇宙的征途中,一個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,正圍繞著某個隱秘的中心緩緩旋轉(zhuǎn)?
長久以來,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,既無中心也無特殊方向。從牛頓與馬赫關(guān)于絕對空間與相對運動的爭論,到愛因斯坦將相對性原理擴展至整個宇宙,從而建立廣義相對論,均勻且各向同性的宇宙模型已成為標準宇宙學(xué)模型的核心。
然而,近年來的一些深空觀測結(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),這一來自宇宙大爆炸后僅38萬年的“嬰兒照”,成為了窺探宇宙整體性質(zhì)的重要工具。
2016年,一個由英國曼徹斯特大學(xué)和匈牙利厄特沃什·羅蘭大學(xué)科學(xué)家組成的團隊在《自然》雜志子刊上發(fā)表了一項具有顛覆性的研究。他們分析了斯隆數(shù)字化巡天(SDSS)項目中超過20萬個巨大橢圓星系的自轉(zhuǎn)方向數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)了一個驚人的模式: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CMB本身的精細測量也提供了一些線索。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)家們在這些看似隨機的漣漪中發(fā)現(xiàn)了一些難以用標準模型解釋的“異常”。例如,低階的四極矩和八極矩存在某種神秘的排列對齊,指向了天球上特定的方向,同時CMB的漲落強度在天空的不同半球也顯示出微妙的差異。
面對這些觀測數(shù)據(jù)的挑戰(zhàn),理論物理學(xué)家們開始嘗試構(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)巨匠庫爾特·哥德爾就提出了一個允許宇宙整體旋轉(zhuǎn)的廣義相對論解,即哥德爾宇宙模型。然而,這個模型雖然允許時間旅行,但因旋轉(zhuǎn)特性與觀測不符而被視為數(shù)學(xué)奇觀。
當代物理學(xué)家則嘗試構(gòu)建更符合觀測的模型,引入全局旋轉(zhuǎn)場或特殊的矢量場來解釋CMB多極矩的異常排列和半球不對稱性。這些模型認為,這些異常正是宇宙存在微弱整體旋轉(zhuǎn)或存在一個特殊軸(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時間里對物質(zhì)分布和光子的傳播產(chǎn)生可觀測的影響。
然而,宇宙旋轉(zhuǎn)的假說并未成為科學(xué)界的共識。主流觀點對觀測異常持謹慎態(tài)度,認為CMB的異常信號雖然存在,但其統(tǒng)計顯著性尚未達到物理發(fā)現(xiàn)的黃金標準。普朗克團隊在其最終數(shù)據(jù)發(fā)布中指出,這些異常可能是隨機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)。批評者認為,樣本選擇偏差、星系形成環(huán)境的局部影響等都可能產(chǎn)生類似關(guān)聯(lián)的虛假信號,未必指向全局旋轉(zhuǎn)。標準宇宙學(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,隨著未來更精確的觀測項目的推進,如中國西藏阿里原初引力波探測計劃、下一代CMB觀測衛(wèi)星LiteBIRD以及更大型的星系巡天項目,科學(xué)家們或許能夠揭開宇宙旋轉(zhuǎn)之謎。若這些觀測最終證實宇宙確實存在整體旋轉(zhuǎn)或一個特殊軸,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)訐u。這將開啟一個全新的物理窗口,指向超越標準模型的新物理領(lǐng)域。