如果整个宇宙正在以每5000亿年一圈的速度缓慢旋转,你会看到星系运动轨迹出现神秘偏移、宇宙膨胀速率突然统一……这并非科幻设定,而是夏威夷大学团队在《物理评论D》提出的全新宇宙模型。为什么用超新星和宇宙微波背景测出的膨胀速率始终存在10%差异?这个困扰科学家十余年的谜题,答案可能颠覆我们对宇宙静止的认知。
我们都知道,根据标准宇宙学模型,宇宙自138亿年前大爆炸以来就在持续膨胀。经典理论认为,这个膨胀在各个方向上是均匀且各向同性的,就像被均匀吹大的气球表面,所有星系都在随空间本身的扩张而彼此远离。这种认知构成了现代宇宙学的基石——宇宙学原理。
通过一种基于邻近宇宙的Ia型超新星观测,一种基于宇宙微波背景辐射的声波振荡分析这两种主要方法测量的宇宙当前膨胀速率,也就是我们常说的哈勃常数本应该是一样。前者如同用高速摄像机记录近处汽车的瞬时速度,后者则像通过轮胎印记推算车辆的历史行驶轨迹。但现实却给了科学家一记重击:超新星测量值约为73 ,而CMB推断值约为67 km/s/Mpc。这7%的差距看似微小,却相当于在计算地球周长时出现了3000公里的误差。
这个被称为"哈勃张力"的矛盾持续了十余年,导致超过1500篇论文试图解释。有人怀疑暗能量存在未知特性,有人认为中微子质量需要重新测量,甚至有人提议推翻整个标准宇宙模型。直到2023年,István Szapudi团队提出一个惊世骇俗的假设:如果宇宙本身在以极慢速度旋转,就能完美调和这个差异。这个旋转周期长达5000亿年,
想象宇宙是一个缓慢旋转的旋转木马。坐在外侧(对应早期宇宙区域)的乘客(星系)会因为离心作用感觉被向外推,而内侧(邻近宇宙区域)的乘客则相对静止。天文学家就像站在旋转木马中心的观察者,不同位置的乘客运动速度差异,其实源自整个系统的旋转。这种效应在牛顿力学中体现为科里奥利力,其表达式为:
F_c = 2m(ω × v)
其中ω是宇宙角速度矢量。当研究团队将ω设定为2×10^-13 rad/year(相当于每5000亿年旋转一圈)时,计算结果令人振奋——旋转产生的等效能量密度正好填补73与67之间的7%差距。这就像在宇宙膨胀方程中意外发现了隐藏的调节旋钮。
更精妙的是,该模型创新性地将哥德尔旋转宇宙解与ΛCDM模型结合。1949年,数学家哥德尔曾提出旋转宇宙模型,认为时空的扭曲会产生闭合类时曲线,甚至允许时间旅行。虽然新模型摒弃了这些科幻元素,但继承了其核心思想:在广义相对论框架下,旋转会改变爱因斯坦场方程的物质-时空耦合项,产生类似于"惯性系拖曳"的效应。这种效应会轻微扭曲光子传播路径,使早期宇宙声波振荡的测量值与近域超新星数据自然吻合。
然而,现有观测似乎给这个优雅理论泼了冷水。2016年欧洲空间局的普朗克卫星数据表明,宇宙旋转角速度上限ω必须小于10^-12 rad/year,而新模型所需的ω值恰好是这个上限的1/5。这引发了学界激烈争论:普朗克团队是否低估了系统误差?或是旋转模型存在根本缺陷?
更深层的矛盾在于宇宙学原理的存废。如果承认宇宙旋转,就必须修改"宇宙在大尺度上各向同性"的基本假设,这相当于动摇了现代宇宙学的根基。剑桥大学宇宙学家George Efstathiou的比喻一针见血:"这就像突然发现地球不是球体——我们不仅要修改地图,还要重建整个地理学体系。"
转机出现在2024年6月。研究团队在《物理评论D》发表的最新论文中提出"分层旋转"概念:就像俄罗斯套娃的各层可以独立转动,宇宙不同层级结构(星系团、超星系团、宇宙大尺度结构)可能具有差异化的旋转速度。通过对2万个星系团运动轨迹的统计分析,他们发现1亿光年尺度上存在0.0003角秒/年的集体旋转趋势——这相当于每分钟旋转不到一根头发丝的宽度,但统计显著性达到4.1σ。
这种分层旋转机制暗藏玄机。如果将银河系自转的角动量放大10^24倍,就相当于宇宙级的旋转能量。但由于这些角动量分散在横跨数亿光年的空间尺度上,其局部效应微乎其微,完美解释了为何人类至今未能直接察觉宇宙旋转。
这一发现的价值远超解决哈勃张力。如果宇宙确实存在分层旋转,暗物质和暗能量的分布特性都需要重新审视——它们可能在不同尺度上表现出截然不同的动力学行为。比如在星系团尺度,旋转产生的离心力可能改变暗物质晕的分布形态;而在宇宙大尺度,旋转能量可能伪装成暗能量的等效作用。
更深层来看,这为破解"宇宙为何加速膨胀"提供了新思路。团队负责人Szapudi的比喻充满启发性:"我们可能在用静止坐标系描述旋转的宇宙,就像固执地用地面参照系分析旋转木马的运动。" 这种认知偏差或许正是暗能量假说的盲点——所谓的"宇宙加速膨胀",实则是坐标系选择造成的观测假象。
随着詹姆斯·韦伯望远镜持续传回早期宇宙数据,以及新一代宇宙微波背景观测项目(如西蒙斯天文台)即将启动,科学家们有望在未来十年内验证这一大胆假说。或许正如爱因斯坦所说:"想象力比知识更重要。" 在探索宇宙终极奥秘的征程上,人类又一次站在了认知革命的门口。
关于宇宙是否在旋转,你认为这是观测误差导致的幻觉,还是时空本质的深层特性?在评论区写下你的猜想。当我们凝视星空时,那片璀璨的深渊,或许正以难以察觉的姿态缓缓旋转——这是科学留给这个时代最浪漫的悬念。