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在科學技術不發達的古代,人們只能用眼睛來觀測宇宙萬物。在地球上,我們看到的是太陽、月亮和其它星辰東升西落,於是當時的人們就認為地球是宇宙的中心,所有天體都圍繞著地球旋轉。
文藝復興時期,哥白尼通過對觀測數據的分析,提出了「日心說」。但是當時他害怕遭到迫害,而不敢發表他的成果。日心說把太陽放在了宇宙的中心,地球和其它行星圍繞著太陽運行,就只有月亮圍繞著地球運行。之所以在地球上看到太陽東升西落,是因為地球自西向東在自轉。
日心說在當時是一個革命性的發現,不過現在看來,日心說也是錯誤的。太陽並不在宇宙的中心,整個太陽系圍繞著銀河系的中心旋轉。最後,整個銀河系也在自轉。宇宙中幾乎所有事物都在旋轉,那麼宇宙本身會旋轉嗎?
角動量
當我們想要研究旋轉的時候,就不得不提一個物理量:角動量。角動量是轉動慣量和轉動角速度的相乘,而轉動慣量是質量和距離平方的相乘。在不受外力矩的情況下,系統的角動量是守恆的。
由上述定義我們可以得知,對於單個物體的旋轉來說,質量相互靠近,旋轉速度就會變快,以保證角動量的守恆。最常用的例子就是花式滑冰,當運動員繞著某一點旋轉的時候,她把手腳向身體靠攏,旋轉的速度就會加快。
如果整個系統中有多個物體,一個物體角動量的減少必然會導致另一些物體角動量的增加。例如在地月系統中,由於月球對地球的潮汐作用,導致海洋的自轉滯後於固體地球,由此帶來的摩擦導致地球自轉速度減慢、角動量減小。為了保證系統的角動量守恆,根據定義,月球必須得遠離地球。在實際的觀測中,科學家測得月球離去的速度為每年4釐米。
宇宙在旋轉?
那麼宇宙是否是旋轉的?在以前,科學家認為宇宙是沒有旋轉的。他們通常認為宇宙應該是同質的和各向同性的,宇宙的總體角動量應該為零。這也就意味著平均而言,星系的分布是隨機的,且在我們可見的區域內,應該有一半的星系沿著逆時針旋轉,另一半的星系沿著順時針旋轉。
但是,在2011年的一項研究中,科學家發現星系的旋轉是不均勻的。他們測量了一萬五千個星系的自轉,發現了他們的角動量之和似乎不等於零。但是,由於偏差較小,且樣本量較小,這些證據還不足以說明什麼問題。
但是,本周發表在美國天文學會會議上的一篇論文顯示出了更大的自轉偏差。該項研究通過對20萬星系的質量及其自轉數據的進行研究,發現了旋轉偏差越來越大,也就是說這些星系的角動量之和離零越來越遠。並且,他們還發現隨著紅移的增加,這種偏差越來越大。
科學家表示,這支持了宇宙具有旋轉軸的想法。當宇宙處於大爆炸之前的奇點的時候,它的角動量為零。而通過觀測得到星系的角動量之和不為零,為了保證系統角動量守恆,只能是宇宙擁有角動量,也就是說宇宙在繞某個軸旋轉。而且通過紅移的數據也告訴我們,宇宙的旋轉軸可能不止一個,它應該有許多個才對,且這些旋轉軸與宇宙微波背景圖的冷點相對齊。
因此,科學家認為宇宙是在旋轉的。