宇宙是否在旋轉？答案能告訴我們宇宙的基本性質

　　北京時間 7 月 9 日消息，據國外媒體報道，環顧太空，你會發現很多東西——行星、恒星、衛星，甚至星系本身——都有一個共同點：它們在旋轉。那么，宇宙也在旋轉嗎?

　　宇宙學家一直在積極研究這個謎團，因為這個問題的答案能告訴我們宇宙的基本性質。“和大多數宇宙學問題一樣，這也是一個非常抽象的問題，但宇宙學研究者認為，這是研究基礎物理學的一種方法，有些東西無法在地球的實驗室里進行驗證，所以人們利用宇宙和宇宙的幾何結構，從中獲得一些關于基礎物理學的新發現。

　　在思考宇宙的基本性質時，科學家首先假設宇宙并沒有在旋轉，而是各向同性的，即宇宙在各個方向上看起來都是一樣的，這個假設與愛因斯坦的方程一致，但又不是這些方程所要求的，基于這種想法，科學家建立了一個描述宇宙的標準宇宙學模型。

　　這種假設已經整合到計算方法中，分析數據和做其他很多事情的方式也與此有關，但這種假設必須得到驗證，科學研究不能只抱著最好的希望。

　　為了了解這些關于宇宙及其基本物理學的假設是否正確，科學家收集了觀測數據，對模型進行驗證。他們特別使用了來自宇宙微波背景(cosmic microwave background，簡稱 CMB)的輻射數據。這些輻射是我們所能觀測到的宇宙中最古老的光——在大爆炸后 38 萬年時發出——堪稱宇宙學家研究宇宙的信息寶庫。

　　宇宙微波背景輻射在各個方向上看起來幾乎是一樣的，但顯示出微小的溫度變化(只有千分之一度)，這種變化來自于宇宙歷史、內容和幾何形狀的影響。通過研究這些差異，科學家可以看到宇宙是否以某種方式被扭曲——意味著一個方向上的旋轉或膨脹比另一個方向增加得更多，測量光的偏振(本質上就是光的方向)同樣可以提供關于宇宙幾何結構的信息。

　　科學家發現，宇宙微波背景輻射沒有顯示出宇宙在旋轉的證據。此外，根據一項研究顯示，宇宙各向同性的可能性是 120000∶1，這意味著無論你朝哪個方向看，宇宙看起來都是一樣的，另一項研究發現，宇宙有 95% 的幾率是均勻的，表明在大尺度上，宇宙的任何地方都是相同的。

　　所有這些研究都表明，宇宙在很大程度上是均勻的，而且沒有在旋轉。這個結論很可能不會改變，未來幾十年里，天文學家對宇宙微波背景輻射的偏振測量可能會有所改善，但新的數據不太可能挑戰之前的發現。

　　宇宙沒有在旋轉的結果對于基于這一假設建立模型的宇宙學家來說無疑是一種解脫，而這也提供了一個關于我們在宇宙中位置的有趣視角。之所以提出這個問題，其實是源于認為人類是宇宙中心的想法，事實上，我們是如此的渺小和微不足道，這真的很有趣。

　　宇宙微波背景

　　宇宙微波背景是宇宙學中“大爆炸”遺留下來的熱輻射，是一種充滿整個宇宙的電磁輻射，其特征與絕對溫標 2.725K 的黑體輻射相同。宇宙微波背景的發現被認為是檢驗大爆炸宇宙模型的里程碑，其觀測數據有時被稱為“大爆炸理論的四大支柱”之一(另外三種觀測數據分別是從星系紅移觀測到的哈勃膨脹、宇宙間輕元素的豐度，以及大尺度結構和星系的演化)。

　　20 世紀 40 年代，物理學家拉爾夫·阿爾菲和羅伯特·赫爾曼研究了宇宙大爆炸理論，提出若大爆炸存在，則宇宙膨脹應該會拉長，并將極早期宇宙的高能輻射冷卻到微波范圍，并降溫至大約 5K。換句話說，他們預言了宇宙微波背景的存在，然而，當時這一預言并沒有引起人們的關注。1964 年，美國射電天文學家阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜偶然發現了宇宙微波背景，他們也因此獲得了 1978 年的諾貝爾物理學獎。

　　最有名的宇宙微波背景輻射觀測實驗可能是美國國家航天航空局(NASA)的宇宙背景探測者(COBE)衛星，運行時間為 1989—1996 年。該實驗在有限的探測能力下探測并定量了大尺度的各向異性。根據 COBE 的測量結果，宇宙微波背景輻射譜非常精確地符合溫度為 2.726±0.010K 的黑體輻射譜，證實了銀河系相對于背景輻射有一個相對的運動速度。

　　數據分析結果還表明，扣除掉這個速度對測量結果的影響，以及銀河系內物質輻射的干擾，宇宙背景輻射具有高度各向同性，溫度漲落的幅度只有大約百萬分之五。目前的主流理論認為，這個溫度漲落起源于宇宙在形成初期極小尺度上的量子漲落，它隨著宇宙的暴脹而放大到宇宙學的尺度上，并且正是由于溫度的漲落，造成宇宙物質分布的不均勻性，最終得以形成諸如星系團等大尺度結構。

　　2001 年 6 月，NASA 推出了第二個宇宙微波背景太空任務，即威爾金森微波各向異性探測器(WMAP)，以更精確地測量整個天空的大尺度各向異性，該任務在 2003 年披露了首次結果，顯示與宇宙暴脹及其他理論的預期大致相符。

　　WMAP 對宇宙微波背景在不同方向上漲落的測量表明，宇宙的年齡是 137±1 億年，在宇宙的組成成分中，4% 是一般物質，23% 是暗物質，73% 是暗能量;宇宙目前的膨脹速度是每秒 71 公里每百萬秒差距;宇宙空間是近乎于平坦的，它經歷過暴脹的過程，并且會一直膨脹下去。

　　歐洲空間局(ESA)的普朗克衛星是第三個觀測宇宙微波背景的太空任務，于 2009 年 5 月升空，目前正在進行更詳細的觀測。
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