宇宙在自转

■ 陈壮叔

在物理学中有一个基本原理，叫做宇称宇宙。这个理论认为，一个物理过程与其镜像是无法区分的，或者说，你在右手坐标中做的物理实验，翻到左手坐标中去做，二者是相同的。

但是到了20世纪50年代，事情有了变化，两位年轻的学者——李政道和杨振宁——宣称宇称守恒可被打破。不久，物理学家在做钴60的放射性β衰变实验中，果然看到了宇称不守恒。李政道和杨振宁也因此获得了诺贝尔奖。

既然在微观世界中宇称守恒可被打破，那么在宏观世界中，是否也会如此呢？

这是一个既诱人又异端的问题。要知道，宇宙的宇称守恒假设，是跟所谓的宇宙学原理相关的：不论你在宇宙中的什么地方，不论你往什么方向去看，总体来说都是相同的。你无法区分出宇宙的左与右，宇宙中也没有一个特殊的方向。迄今，这是现代宇宙学的哲学基础，没有什么比这更为深刻了。

而密歇根大学的物理学家隆哥经过长期的研究，发现宇宙一直在自转。这个发现不但打破了宇宙的宇称守恒，还有助于解决一个最大的奥秘，即有关物质世界的存在之谜。

隆哥的这个发现，是既轰动又古怪。自2000年以来，隆哥一直在新墨西哥州的阿帕奇波因特天文台工作，利用其2.5米口径的望远镜收集横跨北天约100万个星系的图像。他所观测的旋涡星系，其旋臂清晰可见，表明了它们旋转前进的方向。

做到这些可不容易。许多旋涡星系面朝我们，其角度使我们不易看清它们的旋臂；有的星系因碰撞而融合，破坏了它们的自转方向。隆哥先后在540光年的天域内，筛选了其中2817个较为清晰的星系图像。

你可能以为，这些星系旋转的方向是随机性的。情况大致也是如此，在北天的大多天域，顺时针方向旋转的星系和逆时针方向旋转的星系基本相当。但在某一方向上，逆时针方向上的数目比顺时针方向的多许多。这确实耐人寻味。隆哥说，“这是一个重要的结果”。

到了2010年，斯隆数字巡天的数据库上，记录了约230000个星系。隆哥决定对此做深入研究。这一次他带着一个毕业生小组，重复他以前的分析。最终他们取样了15758个具有清晰旋转的旋涡星系，其所在的天域范围扩大到远离我们12亿光年之处。这一次，统计学上的误差仅为0.116%。

那么，隆哥观察南天的情况又如何呢？这可得回溯到1999年。当时，日本国家天文台的两位天文学家根据设在智利的欧洲南方天文台的约8000个南天星系的数据，编写了它们自转方向的目录。他们看到了一种偶极效应：某一种自转状态的星系远多于别的状态。日本天文学家说，“其意义并不大”。

但隆哥看出了他们未看出的东西。沿着南天同一轴线看去，顺时针方向的旋涡星系明显多于逆时针方向的。其实这正是同一效应的结果，前者在北天，现在是在南天，只是反过来罢了。

对隆哥来说，他已经得出了一个重要结论。他说：“若这种不对称是真实的，意味着宇宙具有一个净角动量。”角动量类似于能量，它不能被创造，也不能被消灭。因此这也就意味着宇宙自诞生以来就具有自转，只有这样才能解释上述现象。由于星系沿着某一轴线受到一个额外的冲击，使得其中的绝大多数以同一方向自转。而这个“某一轴线”，正是宇宙原始的自转轴线。

宇宙必定一直自转下去，而我们却没有注意到。隆哥说：“我们未能看出它在自转，那是因为我们身在其中，而我们又不能到外面去看它。”若隆哥的看法成立，那将是一件轰动的事。它的意义在于，无论你从哪里去看，宇宙并不都是相同的，它有其特殊的方向，在那个方向上将产生某些事件，而其他方向则不然。宇称不守恒了，宇宙学原理似乎弱化了。

地球并不在一个特殊的地方，虽然它看上去十分理想，被安放在可沿宇宙独有的自转轴线去观察的地方。在大爆炸时，所有的空间从一个无限小的点开始膨胀，原始自转轴也随着膨胀，但它仍然在那里，指向同一方向。

那么，是什么力量使它自转的呢？也许来自其他的宇宙。不过，隆哥不去研究这个第一推动，他更实际一些，去观察它产生的效应。

他的这一发现，至少得到了宇宙学家S.亚历山大（宾夕法尼亚州，哈佛福特学院）的赞同。他认为，隆哥的看法也可解释另一不对称：在我们的宇宙中，物质为何会占有绝对性的优势？

在物理学中，这是一个棘手的问题。标准模型中，物质和反物质之间是绝对对称的，在大爆炸后二者应等量创生，并在不到1秒的时间内相互完全湮灭。可是，星系、恒星等物质世界的存在，使得这个十分成功的模型大为逊色。

那么，是什么参与了进来，使得物质占了优势？2004年，亚历山大及其同事证明说，这个肇事者就是引力，它是标准模型唯一不能涵盖的力（大自然中有四种基本力：引力、电磁力、强弱核力和引力）。

他们说，若引力在大爆炸后的第一瞬间破坏宇称守恒定律，那就将产生一种时空的破绽（即引力波），它们是不对称的；此时新生的宇宙刚进入暴胀期，时空极大地膨胀，物质与反物质在此时产生。不对称的引力波影响到暴胀，致使产生了物质占优势的局面。加拿大的一位理论家说，“那个研究十分美丽，它把引力波的波幅跟物质与反物质的不对称联系了起来”。

留下的一个大问题是，究竟什么使得引力在最初始的地方破坏了宇称守恒。在这里，亚历山大和隆哥走到了一起：没有更原始的东西了，只有宇宙的自转。亚历山大认为，这可以在宇宙微波背景辐射中找到线索。宇宙微波背景辐射具有2.7K的均衡温度，它是大爆炸的余烬。随着宇宙空间的膨胀，从几乎无限高温冷却到目前的这个低温。

但若对宇宙微波背景辐射做仔细观测，就可以看到有较热和较冷的斑点，它们均匀地铺在天空上。更有意思的是，若在大尺度空间去观察，其中有些斑点似乎开始排列起来，几乎指向同一方向，在宇宙微波背景辐射图上形成一条清晰的轴。

美国航空航天局的威尔金森微波各向异性探测器小组，已对宇宙微波背景辐射绘出了详细图像。他们说：“斑点排列的这一事实毋庸置疑。”虽然有些令人不太相信，但宇宙微波背景辐射上的斑点的奇怪排列方式不会消失。亚历山大认为，这一指向同一方向的排列，就是不对称引力波所产生的效应。

用隆哥的观点去看，那些沿着某根轴线运动的星系，它们的旋转方向似乎呈同一手性，与宇宙微波背景中的那条轴大致一样。亚历山大说，这表明它们之间是有联系的。

从这些观测中，亚历山大获得了一条启示性的线索：最初始的自转宇宙给引力带来了宇称破坏的不对称，这使得物质相比反物质占了优势。这一宇宙性的重大事件留下了两个标记，即宇宙微波背景辐射上的那条轴和隆哥所指出的星系排列。

不久后，我们就能看到数据，进而确定这究竟是幻想还是真实。

欧洲空间局的普朗克卫星，已在天上绘制十分详细的宇宙微波背景辐射的图像。如果普朗克也像威尔金森微波各向异性探测器那样，找到那条清晰的轴，将是最好的信号，说明这一效应是真实的。

马沙纳利小组打算使用日本国家天文台的8.2米望远镜（设在夏威夷），以更高的分辨率去研究北天。马沙纳利说，“我们将看到更多的星系，从而易于判断出旋转的方向”。此外，大型天气探测望远镜，其口径达8.4米，并配有3200个百万像素的摄影机，它将于2020年投入使用，以研究南天。

科学界将以这样或那样的方法去解决宇宙自转的问题。不论结果如何，有望在下一个10年得到答案。