宇宙在旋转？5000亿年一圈？（文字版）

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地球在旋转，太阳在旋转，银河系也在旋转，宇宙中的一切似乎都在旋转。那么你觉得宇宙本身是否也在旋转呢？

其实早在上世纪50年代，数学家哥德尔通过求解爱因斯坦场方程就曾提出过一个旋转宇宙模型——哥德尔宇宙（Goedel universe）。哥德尔宇宙有一些非常奇怪的性质，尤其是存在一种被称为封闭类时曲线（Closed Timelike Curve, CTC）的时空结构。看过“祖父悖论”那期的同学应该还有印象，封闭类时曲线是物体在时空中的一条特殊的世界线，当你在时空中沿着这条封闭路径运动时，时间这个维度可以形成一个闭环，它会让你回到过去的某个时间点，也就是时间穿越。不过，哥德尔宇宙只是个假想的宇宙模型，它有很多不合理的地方。比如它的宇宙学常数是负的（Λ = -4πρ），宇宙既不膨胀也不收缩，是静态的，这与目前观测的加速膨胀的事实并不相符。

然而，2025年3月，一篇发表于《皇家天文学月刊》上的文章中，研究人员受哥德尔宇宙的启发提出了一种全新的旋转宇宙模型，一种缓慢旋转的暗流体宇宙模型。不同于哥德尔宇宙的纯时空结构，研究人员假设我们的宇宙是一个球对称的理想流体，当它旋转时会导致时空发生扭曲，产生类似旋转黑洞附近的参考系拖拽效应。这个模型可以完美解释我们通过哈勃、JWST测得的哈勃常数为什么和基于宇宙微波背景（CMB）测出来的结果总是存在偏差，也就是著名的“哈勃冲突（Hubble tension）”问题。

具体来说，研究人员通过引入全局旋转角速度，在牛顿引力框架下修正了欧拉-泊松方程中的引力势，该修正会影响宇宙膨胀的过程，尤其是晚期的哈勃常数。虽然基于CMB的哈勃常数更符合标准宇宙学模型的预测，但它体现出的是宇宙早期的膨胀情况（67 km/s/Mpc）。随着时间的流逝，当宇宙到了晚期（现在），旋转导致的额外膨胀效应会逐渐累积，最终使得哈勃常数偏离了标准宇宙学模型的预测（73 km/s/Mpc）。研究人员认为，也许这就是哈勃冲突产生的原因。

不过让宇宙旋转会带来一个问题，就是宇宙这么大，如果它真的转起来，那“边缘”的物质岂不是很容易超光速？为了避免可观测宇宙边界的切向速度超过光速，研究人员计算出了当前宇宙旋转角速度的上限——每10亿年0.002转（0.002 Gyr^-1），换算下来转一圈要5000亿年！

关键的地方来了：当宇宙以这个极限角速度旋转时，此时的哈勃常数就是超新星方式测到的数值（73 km/s/Mpc），而当角速度为0时（也就是宇宙不旋转时），此时哈勃常数恰好又和CMB测得的一致（67 km/s/Mpc），相当于是回到了标准宇宙学模型。

难道说，哈勃冲突真的是宇宙旋转导致的？我们的宇宙真的在缓慢旋转吗？

虽然结果非常amazing，但是这个模型本身仍然太过粗糙。首先，它不是一个现实模型，只是一个简易的微调模型，或者你也可以叫它“弱模型”或者是“玩具模型”。这个模型只用到了经典的流体力学，并不涉及相对论，更不涉及量子力学。此外，想通过观测来证实宇宙在旋转非常困难。毕竟5000亿年才转一圈，宇宙从诞生到现在也才138亿年，更别说人类这种时间尺度了。

那有没有间接的方式呢？可能还真有，比如通过观测星系的旋转。因为星系在最初形成时，构成星系的物质会受到整体角动量的影响，如果宇宙本身在旋转，那么宇宙中星系的旋转方向应该存在某种偏好。虽然目前大部分的观测证据都表明星系的旋转方向完全随机，但也不乏有些例外。比如就在这篇论文发表前不久（2025年2月），《皇家天文学月刊》上的另一篇文章中，研究人员在JWST的深空场数据中，发现与银河系反向旋转的星系数量比同向旋转的要多出50%。

我们知道，根据宇宙学第一原理，宇宙是均匀且各向同性的。

（左：各向同性 / 右：均匀）

“均匀”很好理解，就是物质分布在大尺度上是均衡的，不会出现这块比那块明显多了很多物质。注意，这里的“大尺度”指的是宇宙尺度，像星系、星系团那些都算不上真正的大尺度，真正的大尺度通常需要达到可观测宇宙范围的1%以上（差不多至少10亿光年这个量级）。

而“各向同性”说的是，这些物质不管你从哪个角度看，它们看起来都是一样的。打个比方，麦田就是各向同性的，你站在麦田里朝哪个方向看都差不多；但是向日葵田就不是各向同性的，你面朝太阳和背对太阳，看到的景象肯定不一样，这个叫做“各向异性”。

如果宇宙是片向日葵田，那星系就是一个个向日葵。按理来说，宇宙中的星系应该是随机分布的，面朝各个方向的都有。但是JWST的观测结果告诉我们，它们也许并非完全随机，而是偏向于朝某个特定方向旋转。这个现象在南银极天区和北银极天区都有存在，而且距离越远的星系这种差异越是明显。

因此研究人员猜测，宇宙在刚诞生时也许自带旋转，这使得宇宙内的物质天生具有旋转方向的倾向性。后来，随着混沌程度不断上升，这种旋转方向的差异才逐渐变小。

这个解释虽然听起来很合理，但它并不是唯一解释，其他可能性仍然存在。比如旋转方向会影响星系的光度，反向旋转的星系因为多普勒效应、相对论效应甚至是在某种未知的物理机制下，它们看起来可能会更亮一些，这就可能导致我们看到了更多的反向旋转的星系。

另外，作者选取的天区范围也很有限，只有不到0.2度，综合红移来看，跨度范围也就几千万光年，这对宇宙来说远算不上大尺度。在小尺度上，引力效应确实会导致各种奇奇怪怪的现象出现。

比如早在2014年，当时就有科学家发现类星体就存在一定的方向偏好，它们的旋转轴往往和它所在的宿主结构是对齐的，类星体的盘面会沿着纤维丝分布。不过该现象目前认为更多还是因为类星体继承了宿主结构的角动量分布，也就是纤维状结构在形成时影响了内部类星体的姿态。

那除了星系的旋转方向，我们能否从宇宙微波背景（CMB）上看出些端倪呢？毕竟它可是宇宙的本底噪音，如果宇宙本身在旋转，这势必会在CMB上体现出来，比如让CMB一侧的温度与另一侧不同。但是我们知道，CMB是出了名的均匀且各向同性，在排除了地球在宇宙中的相对运动后，CMB各处的温度差异大约只有十万分之一。当然，你也可以说这或许是因为宇宙转得太慢，以至于它对CMB造成的影响被随机涨落掩盖了。

总的来说，不管是星系的旋转方向还是CMB的各向异性，目前绝大部分观测证据仍然是支持宇宙不旋转。今天说的这个旋转宇宙模型虽然具有一定的创新性，但依然缺乏观测证据，它更多是针对哈勃冲突这一问题的一种针对性的“技术调整”。更重要的是，引入“全局旋转”的这个设定有点过于激进，它势必会对目前的宇宙学模型带来一系列影响，也就是会产生大量不符合观测的情况。后续该模型若能协调与现有宇宙学观测的矛盾，那它则可能成为如今标准宇宙学模型的有力扩展。反之，若观测与理论矛盾始终过多，那它的适用性也将严重受限。

等一下

如果宇宙在旋转，那岂不是说它应该有一个轴心，而我们恰好位于这个轴心上？

2003年，NASA的威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）首次公布了高精度的宇宙微波背景图。科学家在分析宇宙最大尺度上的温度波动（低阶多极矩）时，他们发现在某个尺度上，温度涨落的分布并不是完全随机，而是沿着一个神秘的“轴线”排列，科学家称其为宇宙的“邪恶轴心（Axis of Evil）”。

2013年，ESA的普朗克卫星发布了更高精度的CMB数据，邪恶轴心依然存在。虽然邪恶轴心只是宇宙球面上的一个“对称轴”，并不意味着就是宇宙旋转的中心轴，但它的存在似乎表明了宇宙并非各向同性。后来科学家提出了各种解释，但截至目前，邪恶轴心依然是宇宙学上的一个未解之谜。它或许只是观测上的假象，也许是数据分析中的误差，又或是新物理的线索，但也有可能它在暗示我们宇宙真的在旋转。

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