[비즈한국] “尽管如此，地球仍在转动！”据说伽利略在走出审判庭时曾低声呢喃过这句话。（实际上并没有证据表明他说过。）确实，宇宙中的任何事物都在旋转。地球在转，月球和太阳在转，我们的银河系也在转。宇宙中存在的一切，在诞生之初就不可避免地带有微小的角动量。如果对构成整个系统的所有粒子的运动取平均值，却发现它完全不向任何方向旋转、整体角动量完美抵消为零，那反而显得有些不自然。此外，宇宙中的所有天体都是由原本散布在更广阔空间的粒子在引力作用下汇聚而成的。在这一过程中，旋转半径变小，为了守恒总角动量，旋转速度必然会加快。所以，宇宙中的一切都在滴溜溜地转动。
那么，整个宇宙又如何呢？如果是这样的话，我们所居住的整个宇宙的角动量会不会也不为零呢？
事实上，这个问题在天文学史上已经存在了很久。我们尚不确定确切的答案。不过，到目前为止，还没有发现我们宇宙在旋转的迹象。但如果我们接受“宇宙可能正在旋转”这一大胆假设，或许能完美解决现代宇宙学中最令人头疼的谜团。如果宇宙确实在旋转，那么因观测方式不同而导致宇宙膨胀率数值不一致的“哈勃张力（Hubble Tension）”难题，就能得到简单的解释。
实际上，宇宙整体可能正在旋转的想法，是由一位非凡的数学家在1949年提出的。库尔特·哥德尔（Kurt Gödel），这位以哲学家兼数学家身份闻名的人物，利用爱因斯坦的引力方程找到了一个非常独特的解。他假设宇宙充满了像透明流体一样的介质。哥德尔将这种介质称为“尘埃”，并构建了一个充满介质且整体旋转的宇宙模型。
根据爱因斯坦的相对论，具有质量的物体会扭曲周围的时空。如果在此基础上加上质量体旋转的效应，就会产生更戏剧性的效果。想象一下在被子上放一个保龄球并让它旋转。随着保龄球的转动，被子也会随之扭曲。事实上，宇宙时空中所有旋转的物体都会像拧毛巾一样带动周围的时空。这被称为“参考系拖拽（Frame dragging）”。这种效应在两星环绕的脉冲双星中，以及探测器掠过木星进行重力助推的轨道中都得到了证实。
如果像哥德尔想象的那样，宇宙真的在整体旋转，那么参考系拖拽效应必然在整个宇宙中发生。由于时空本身被旋转带动，我们在观测时，遥远宇宙和近处宇宙的时空扭曲程度就会产生差异。只有将这种效应纳入考量，才能更公正地掌握从遥远宇宙到近处宇宙的膨胀率——即哈勃常数。
最近，一篇令人震惊的论文发表了，它实际上检验了哥德尔的大胆想象。在现代宇宙学中，哈勃张力是让天文学家头疼的难题之一。哈勃张力指的是衡量宇宙膨胀率的哈勃常数，会因为观测方法不同而得出不同的结果。
根据观测宇宙中银河系远离速度与距离的比对，得出的哈勃常数大约是73km/s/Mpc。这是最传统、最直接获取宇宙膨胀率的方式。许多天文学家认为这种方式本身没有致命问题。当然，测定银河系的距离可能会有较大误差，实际上近期也有研究对此提出质疑，但哈勃空间望远镜和詹姆斯·韦布空间望远镜接连进行大规模观测的结果显示，哈勃常数一直保持在相似的水平。
我们也可以通过早期宇宙在极高温度下均匀膨胀并冷却过程中留下的微弱无线电信号来了解宇宙的膨胀率。这种对应于大爆炸残余热量的无线电信号被称为“宇宙微波背景辐射”。根据普朗克卫星最近的观测，哈勃常数大约为67km/s/Mpc。这比通过直接观测银河系退行现象估算出的数值要小。也就是说，通过银河系退行现象掌握的宇宙膨胀，比通过宇宙冷却余温留下的痕迹估算的膨胀看起来更快。
在两种观测方法差异被提出的20年前，天文学家们并没有太苦恼。当时两者的误差都很大，测定值在大致的误差范围内重合。人们曾期待随着误差逐渐缩小、观测方式更加精密，数值会收敛到一个点。但随后20年发生的事情恰恰相反。虽然通过银河系退行和宇宙微波背景辐射各自估算的哈勃常数误差大幅缩小，但两者的差异反而变得更加明显。这种明明在追寻同一个宇宙的膨胀，却仿佛在观测两个不同宇宙的尴尬难题，被称为“哈勃张力”。
这篇论文提出了一个有趣的可能：正是因为宇宙在整体旋转，导致近处宇宙和遥远宇宙观测到的哈勃常数实际不同。论文核心结论的图表非常有趣。图表的横轴表示大爆炸后流逝的宇宙时间，纵轴显示了随着宇宙演化，哈勃常数是如何变化的。
图表最下方的两条黑色虚线分别展示了基于超新星的银河系观测值和通过宇宙微波背景辐射估算的两种哈勃常数测定值。可以看到它们有细微的差异。这种差异正是前面提到的哈勃张力。这两个数值都代表了现在这一时刻的宇宙膨胀率，即当下的哈勃常数。
然而，随着宇宙的膨胀，哈勃常数也在改变。图表中的蓝线显示了当今受天文学家最信赖的宇宙标准模型——ΛCDM模型下哈勃常数的变化过程。这是反映了暗物质和暗能量的最标准模型。图表中的绿色和紫色线则展示了在这篇论文提出的宇宙旋转模型中，设定不同的旋转速度时，哈勃常数会如何变化。
特别是在图表左侧和右侧详细显示的插图（inset）中，展示了在宇宙微波背景辐射开始扩散的极早期和当今时刻，各模型下的哈勃常数与实际观测结果的吻合度。在早期宇宙粒子密度降低、原初光线扩散开来、宇宙微波背景辐射开始传播的时刻，无论是既有的ΛCDM模型还是旋转宇宙模型，哈勃常数的数值都相似。
但进入现代，差异开始拉大。ΛCDM模型得出的蓝线与应用了旋转宇宙模型的绿线、紫线出现了明显分叉。ΛCDM模型的结果经过了稍低的67km/s/Mpc，这恰好与宇宙微波背景辐射观测出的哈勃常数一致。然而，应用了旋转宇宙模型的结果经过了稍高的73km/s/Mpc区间，这恰好与通过直接观测银河系退行现象估算出的哈勃常数一致！这篇论文推测，这是因为通过直接观测银河系推算的宇宙膨胀率展现的是相对较近的宇宙面貌，而通过宇宙微波背景辐射看到的则是远距离宇宙的面貌。
如果宇宙像哥德尔的模型那样在整体旋转，那么根据距离的不同，我们看到的宇宙面貌确实可能不同。也就是说，哈勃张力可能是因为我们根据不同的观测方式，实际上看到了稍微不同的宇宙而产生的结果！
那么，为了解释目前观测到的哈勃张力，即银河系退行现象观测到的宇宙膨胀率达到73km/s/Mpc，我们的宇宙需要整体旋转得有多快呢？其实非常慢。如果宇宙以大约5000亿年旋转一圈的速度极其缓慢地转动，就足以解释现在的哈勃张力。我们完全可以理解为什么我们在此之前通过实际观测无法感受到整个宇宙的旋转。
这篇论文提出的宇宙整体旋转速度太慢，让你感到失望了吗？还有更令人吃惊的消息。5000亿年旋转一圈的宇宙速度，正好与旋转宇宙所能拥有的最快极限速度相吻合！如果宇宙以比这更快的角速度旋转，就会导致时空纠缠、时间倒流等所有物理定律崩溃的问题。如果假设宇宙恰好是以理论上能拥有的最快旋转速度在转动，那么现存的许多宇宙学难题都能迎刃而解！这确实是一个让人竖起耳朵、无法简单归结为巧合的结果。
这个有趣的巧合让人想起上次介绍过的“黑洞宇宙论”。即我们的宇宙可能是一个被困在另一个巨大黑洞中的世界的假说。这个想法始于这样一个观点：大爆炸后的宇宙和黑洞本质上没有物理区别，都是所有质量汇聚于一点的奇点。宇宙中存在的所有黑洞也都具有极快的自旋，同样地，如果我们的宇宙也被困在黑洞中，那么它自然也应该具有自旋。这里还隐藏着另一个巧合。如果真的假设宇宙整体被困在黑洞中，并考虑当前宇宙的总质量，计算出如此沉重的黑洞所能拥有的事件视界有多大，结果竟然与我们目前掌握的可观测宇宙的大小大致相当！
无论是整个宇宙的视界大小，还是宇宙的整体旋转速度，如果假设我们的宇宙确实是一个被困在黑洞中的世界，所有解释似乎都能对得上。遗憾的是，通过观测来验证我们的宇宙是否真的在整体旋转非常困难。因为我们就身处宇宙之中。如果我们随着周围的时空以相似的速度旋转，那么无论怎么观察四周，都没有办法察觉宇宙是否真的在转动。
另外，理论上提出的宇宙旋转速度也慢得离谱。即便这个假说成立，宇宙转一圈也要花上5000亿年。而我们所知的当前宇宙年龄只有138亿年。未来还需要度过相当于宇宙已存在时间36倍的漫长岁月，才能堪堪转完一圈。无论如何持续观测遥远宇宙中的银河系，仅仅通过几年的观测，是无法察觉到那些天体的位置是否在发生微小偏差的。
不过我们可以思考间接的方法。如果宇宙整体的角动量不为零，那么宇宙中孕育的所有银河系取平均后，最终应该共享一个向特定方向微弱旋转的成分。我们可以从统计学上确认整个宇宙银河系的旋转方向是随机分布的，还是确实带有特定的方向性。最近介绍的一项研究也关注了这种可能性（相关报道 [科学] 宇宙为何顺时针旋转）。
说实话，直到最近，天文学家对这种说法一直非常怀疑。传统上，人们一直认为宇宙没有特别的方向性，只是一个万物均匀分布的世界。这种观点在天文学中被称为“哥白尼原则”，即宇宙中没有任何地方是特殊的。
但近来，这种观点也开始受到质疑。在整个宇宙中，人们不断发现规模巨大到与可观测宇宙大小相比也不容忽视的超大结构，这些结构中银河系的密度分布不均。甚至在观察宇宙微波背景辐射时，也显露出无法理解的可疑方向性。确认出的景象仿佛宇宙的一半在向我们靠近，而另一半在远离我们。即使剔除我们太阳系自身的运动，这种无法理解的方向性依然存在。近期揭示的这些情况让人不禁怀疑：我们的宇宙是否真的是一个对任何人来说都绝对公平、均匀，并适用哥白尼原则的世界。
“尽管如此，宇宙仍在旋转。”在伽利略审判后的400年后的今天，人类再次站在了围绕宇宙旋转的新审判庭前。在那400年间，我们需要思考的宇宙尺度已经变得极其宏大。毕竟这次是整个宇宙的旋转。
参考资料
https://academic.oup.com/mnras/article/538/4/3038/8090496
作者Ji Ung-bae是？热爱猫咪和宇宙。儿时看了《银河铁道999》后，立志要传达宇宙之美。目前在延世大学银河演化研究中心及近宇宙论实验室研究通过银河间相互作用进行的演化，并从事讲座、写作等多种科学传播活动。著有《暧昧的天文台》、《整天思考宇宙》、《星，光的科学》等书籍。