问爱善：宇宙正在旋转吗？

在所有距离上，宇宙都沿着我们的视线扩展。但我们不能测量边对边的运动;它也正在旋转吗？

STARTS WITH A BANG — JULY 1, 2022

Ethan Siegel

 

由于北极的长时间曝光摄影与旋转的地球物理现象相结合这些星迹出现在天空中。在我们的星球，太阳系和银河系之外，宇宙本身有可能作为一个整体旋转：一个需要调查的迷人可能性。(Credit: PxHere/public domain)

关键要点

当我们远望宇宙时，我们能看到所有方向中的天体，按它们与我们的距离而言，跨越了数百亿光年。

一个天体离我们越远，它似乎更快离开我们，标准的解释是空间的织造正在扩张，我们看到它的视线结果。

但同样有理由问，如果更远的星系消退得更快，它们是否也会有相应的大横向运动？这会意味着结果为宇宙正在旋转？这是一个值得探索的迷人问题。

每次我们观察宇宙时，我们只看到在那里的一小部分信息。远望一个遥远的天体如一个星系或类星体，我们能确定它的距离有多远，测量它的表观亮度和表观大小，还可以确定它的光被多严重的红移。这种红移给了我们一个有趣的信息：主要是由于宇宙的膨胀，这个星系似乎正在多快从我们身边退去？

但你也可能好奇，如果远处的天体似乎沿着我们的视线非常快地从我们身边退去，是否它们也有大的横向（或侧向）运动？如果它们这样而不是扩张，宇宙正在旋转吗？如果是这样，后果会是什么？这是迈克·德保罗（Mike DePaulo）想知道的，他写信问道：

“我喜欢读你关于宇宙的文章。你有没有被问过这个问题，'宇宙正在旋转吗？'”

这是一个非常聪明的想法，绝对值得深入探究。让我们来找出！

在其众多发现中，欧空局的盖亚使命已经发现，银河系不仅对它的银河系圆盘有一个翘曲，而且在圆盘中的翘曲进动和摆动大约太阳每绕银河系中心三围完成一次完整的旋转（黄色）。虽然已知单个星系旋转的，但是否宇宙作为一个整体毕竟有任何旋转还有待观察。(Credit: Stefan Payne-Wardenaar)

从我们在宇宙中的角度，重要的是要记住我们能直接观察到和不能直接观察到的。当我们观察来自一个远处天体的光时，我们不能看到它的所有属性。当然，我们能测量来自该天体到达的所有光子，并且其中编码了大量信息。

我们看到内部恒星发出的所有星光的总和。

任何被激发的分子或原子，其中电子从更高的能级级级联降到更低的能级，将也发射光，这是我们观察到的部分。

宇宙的几何形状------即沿着这个天体的视线到处的空间曲率------也影响光线，这会影响天体多亮和天体看起来多大。

宇宙的扩张以及发射源相对于我们的相对运动也被印刻在光上，用红移或蓝移改变它的波长。

这为我们提供了难以置信量的来工作的信息，但所有这些中都缺失的是一个我们希望有的重要信息：在垂直于我们视线的方向上，每个天体正在多快移动？

给定足够的时间，被远处天体发射的光将到达我们的眼睛，甚至在一个膨胀的宇宙中此。由于沿着视线的扩张和相对运动，光子的波长被宇宙的膨胀拉伸，但在垂直方向中的运动不能如此容易地检测到。(Credit: Larry McNish/RASC Calgary)

你必须记住星系之间的距离只是有多远来理解为什么是这种情况。在大多数情况下，除了最近的星系之外，所有星系都在数千万到数百亿光年之外。即使一个星系在太空中移动得非常快------比方说，大约是光速的10%------它的位置随时间的变化会是不能观察到的。一个距离10亿光年以10%光速横向移动的星系，在十年的时间跨度内，它的位置只会改变1光年。

我们能测量我们银河系中一些最近的恒星的1光年的变化，就像我们对恒星61天鹅座所做的那样：第一颗被观测到的随时间变化位置的恒星。但对一个距离地球十亿光年远的星系来说，这相当于在十年的时间跨度内，它的表观位置的变化仅为一弧秒的千分之0.2，这一变化远远超出了现代天文学技术的当前极限。

即使是最接近银河系的大星系仙女座，当我们将从来拍摄的它的第一张照片（从1888年开始）与它今天的照片比较时，表明它内部没有一颗恒星以当前技术可以检测到的方式已经移动了。

这张 1888 年拍摄的仙女座星系图像由艾萨克·罗伯茨 （Isaac Roberts） 拍摄，是从来拍摄的第另一个星系的一张天文照片。它是在没有任何光度滤光片的情况下拍摄的，因此所有不同波长的光被总和在一起。自1888年以来，作为仙女座星系一部分的每颗恒星都已经没有移动过，这显着证明其他星系确实有多远。(Credit: Isaac Roberts)

但是仅仅因为我们不能观察到某件事并不意味着它没有发生。你能很容易地想象除了我们看到的视距运动，一个天体越远视线运动越大，在宇宙中的天体也有实在的横向运动。当然，基于我们从视线观察我们能推断出的运动空间似乎正在膨胀，但它也会旋转吗？只要存在的旋转量低于我们仪器设定的当前限制，观察上不能被排除是一个想法。

然而，仅仅因为没有任何关键证据证明宇宙是旋转的并不意味着我们不能关于这个想法说任何聪明的话。事实上，从理论的角度来看，我们能推导出一个旋转的宇宙在广义相对论的背景下将怎样行为，然后讨论如果宇宙旋转我们预计会出现哪种后果。

不过，在我们进入实际的宇宙之前让我们从一个更简单的场景开始，以帮助我们了解什么旋转添加到这个混合上。不是一个庞大的、膨胀的宇宙，而是让我们从考虑太空中只存在一个单个点质量开始：一个不旋转的黑洞。

这张“瀑布”图显示空间怎样在史瓦西（非旋转）黑洞的事件地平线内外流动。请注意，一旦你越过事件地平线，你就会被无情地拉入中心奇点;没有逃脱。(Credit: Andrew Hamilton/JILA/University of Colorado)

这种黑洞------史瓦西黑洞------就这么简单。任何穿过空时被这种质量分布规制的移动的天体中都将体验朝向黑洞中心“流”的空间，随着你离黑洞本身越近，“流”的速率就越高。为了不落入黑洞，你必须更快地移动，要么远离黑洞，要么你越接近向它横向移动（导致围绕它的一个轨道）。

一旦你离得太近，即在黑洞的事件地平线内，没有你能在那移动将阻止你掉进去的速度。在这一点上，你所能做的就是接近中心奇点，你越接近它，粉碎的引力就越大。宏观天体被撕裂成它们的组成原子，原子被撕裂成它们的亚原子成分，甚至质子和中子也被撕裂成更基本的夸克和胶子。最终，一切穿过事件地平线内部的东西都只是添加到中心奇点的质量上，而中心奇点本身只不过是一个点。

但是如果你有一个旋转的黑洞而不是一个非旋转的黑洞，一切都会不同的行为。

甚至对于像一个大质量的旋转黑洞（科尔黑洞）这样的复杂实体，一旦你越过（外部）事件地平线，无论你是由什么类型的物质或辐射组成的，你都会朝向中心奇点坠落并添加黑洞的质量。就广义相对论而言，只需要质量、电荷和角动量来完整地描述它的空时。(Credit: Andrew Hamilton/JILA/University of Colorado)

单个质量也具有一个非零量的固有角动量，创造一个与零角动量的空时非常不同的空时。不是一个史瓦西黑洞，而是你得到一个克尔黑洞。为了给你一个这个实体有多复杂的想法，请考虑史瓦西解是广义相对论中发现的最早的解决方案之一，在完整理论公布后不到两个月发表。与此同时，克尔解决方案直到又过了47年才被发现：直到1963年。它的发现者罗伊·克尔（Roy Kerr）目前仍然活着，年龄88岁。

旋转黑洞具有许多与一个非旋转黑洞截然不同的属性。

不是一个事件地平线，它有两个：一个外部事件地平线和一个内在事件地平线，前者是光不能逃脱的

在事件地平线之外还有一个叫做能层的区域：从这个区域，理论上可以提取能量，即使整个能层总是位于这个黑洞如果它不旋转的话的史瓦西半径内。

奇点不是一个单点，而是一个一维环，环的直径与黑洞拥有的角动量成正比。

而且，也许最深刻的是如果你要穿过被环奇点为界的圆形区域，你就会离开已知的宇宙并进入理论物理学家所知道的一个反宇宙！

当观察者进入一个非旋转的黑洞时，没有逃脱：你被中心奇点压碎。然而，在一个旋转的（克尔）黑洞中，穿过由环奇点边界的圆盘中心可能是而且实际上可能是到一个新的“反宇宙”的门户，在那里事物具有与我们自己的已知宇宙完全不同的属性。(Credit: Andrew Hamilton, JILA, University of Colorado-Boulder)

因此，你可能会期望如果我们考虑一个具有全局整体旋转的宇宙，它也会有一些奇特和不直观的属性。你不仅不会失望，而且你可能会惊讶地了解在广义相对论的背景下对旋转宇宙有一个精确的解决方案，它是由数学家和哲学家库尔特·哥德尔（Kurt Gödel）在1949年首次提出的。它被称为高德尔宇宙，虽然它内部的能量形式包括无压力物质的均匀背景和一个（负）宇宙学常数，其中物质在这个宇宙中涡旋在单个旋转轴周围。

这个空时的一个显着特征是从任何物质粒子发出的光首先会向外螺旋，然后形成一个圆形的尖端，然后向内螺旋以重新收敛回到原始粒子上。

这意味着，至少在某些方向上，你只能向外看一个有限的距离，除此之外，你也能够从一个更早的时间来看你自己。

然而，也许关于这个宇宙最显著的特性是它规定它内部闭合的类时曲线的存在。

此图显示了两种不同类型的类时曲线。在顶部，（a）描绘一条闭合的类时曲线的物理可视化，其中一个观察者进入假设虫洞一端的能跳到一个先前的时间并与他们过去的自我相互作用，而（b）描绘没有发生这种相互作用的情况：一条开放的类时曲线。(Credit: X. Yuan et al., Nature Quantum Information, 2015)

在数学物理学中，闭合的类时间曲线是一种潜在的病态行为，因为它意味着你能：

离开你最初的位置，

穿越空间，

回到你最初离开的同一位置，

当你回来时，发现你的时间坐标与你离开的时间是相同的。

換句話說，一個有關閉的類似時間曲線的宇宙必然意味著你能在時間中向後旅行，回到過去，以及這種场景帶來的所有矛盾後果。

但是，与纠缠于如果你在父母之一受孕之前就杀死了你的祖父会发生什么，我宁愿向你保证，这个版本的旋转宇宙并不能描述我们自己的现实。首先，我们的宇宙能拥有的宇宙学常数类型在量上是更强的，并且与我们已经做的暗能量观测相吻合是错的符号。另一方面，高德尔宇宙不允许膨胀，而我们看到它正在膨胀。还有一方面，高德尔宇宙中不允许大爆炸，我们看不到过去的我们自己，而且就像远离我们一样的应该有同样多的天体向我们移动：我们毕竟看不到的某些东西。

左下角显示了温度波动的实际信号。在其他三个面板中，由于旋转或其他形式的各向异性，显示对微波天空的可能修改。通过约束这些信号的大小，我们能证明宇宙实际上是多么各向同性和非旋转的。(Credit: D. Saadeh et al., Phys. Rev. Lett., 2016)

但也许我们对宇宙内部旋转最重要的约束来自测量我们能观察到的最早的光：大爆炸本身的剩余光芒。最严格的分析是由达聂拉萨顿领导的一个团队在2016年完成的，研究人员指出任何旋转都必需一个首选的宇宙“轴”：一个靠它旋转的轴。这个轴，如果它存在，将导致宇宙在不同的方向上有不同的属性：一个各向异性的宇宙。特别是，我们将在来自宇宙微波背景的温度和偏振数据中看到与涡度相关的信号。

我们不仅发现了宇宙中允许的旋转总量的极端严格的限制------自热的大爆炸开始以来整个可观测的事件必须已经旋转了不到一度的百分之—------但宇宙是令人难以置信的各向同性：在所有方向上都是一样的。事实上，宇宙正在向各个方向扩展，甚至从最弱约束的场景中也扩展到比100，000分之一更好。简而言之，不仅没有表明宇宙在旋转的证据，而且在我们能测量宇宙的每一个方面，它都指向完美的各向同性：所有方向上的行为都相同。宇宙既不旋转也不向我们能观察到的任何方向延伸。

这个三面板动画显示：（1）实际的宇宙微波背景是什么样子的，包括E模式和B模式的偏振，（2）来自各向异性或旋转宇宙的预期修改，以及（3）如果宇宙微波背景包含这样的修改，它将看起来的样子。数据毕竟与根本没有旋转或各向异性最一致。(Credit: D. Saadeh et al., Phys. Rev. Lett., 2016)

当到理解我们所居住的宇宙时，我们能做的最重要的事情之一就是探索在那里最疯狂的理论可能性。通过这样做，我们能从每个独特的场景提取具体的定量预测。这同时给了我们一些来搜索和希望的东西，同时，它使我们能够约束这种情况对我们的宇宙的有多具体的、可行性或相关性。在旋转宇宙的情况下，证据一致的强烈反对它，但继续以最佳精度调查这种可能性也很重要。

事实上，随着对宇宙的观测随着时间不断改进，高德尔本人经常会问：“宇宙还在旋转吗？今天，我们以有史以来最大的信心能断言，它不仅没有正在旋转，而且与其他方向相比，在任何一个方向上它的属性都可能不同的想法被令人难以置信的限制。我们必须始终晓知我们正在做出什么假设，以及这些假设的经过了多好的测试，因为任何违反我们期望的东西都可能破坏甚至破坏我们构建现实概念的基础。

幸运的是，宇宙在各个方向上都是相同的假设已经被从来最高的精度测试，并且从来没有发现旋转、拉伸或任何形式的旋转。从理论上讲，宇宙可能正在旋转的，但在实践中，数据只是告诉我们情况不是这样。

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