宇宙在自轉

■ 陳壯叔

在物理學中有一個基本原理，叫做宇稱宇宙。這個理論認為，一個物理過程與其鏡像是無法區分的，或者說，你在右手坐標中做的物理實驗，翻到左手坐標中去做，二者是相同的。

但是到了20世紀50年代，事情有了變化，兩位年輕的學者——李政道和楊振寧——宣稱宇稱守恒可被打破。不久，物理學家在做鈷60的放射性β衰變實驗中，果然看到了宇稱不守恒。李政道和楊振寧也因此獲得了諾貝爾獎。

既然在微觀世界中宇稱守恒可被打破，那么在宏觀世界中，是否也會如此呢？

這是一個既誘人又異端的問題。要知道，宇宙的宇稱守恒假設，是跟所謂的宇宙學原理相關的：不論你在宇宙中的什么地方，不論你往什么方向去看，總體來說都是相同的。你無法區分出宇宙的左與右，宇宙中也沒有一個特殊的方向。迄今，這是現代宇宙學的哲學基礎，沒有什么比這更為深刻了。

而密歇根大學的物理學家隆哥經過長期的研究，發現宇宙一直在自轉。這個發現不但打破了宇宙的宇稱守恒，還有助于解決一個最大的奧秘，即有關物質世界的存在之謎。

隆哥的這個發現，是既轟動又古怪。自2000年以來，隆哥一直在新墨西哥州的阿帕奇波因特天文臺工作，利用其2.5米口徑的望遠鏡收集橫跨北天約100萬個星系的圖像。他所觀測的旋渦星系，其旋臂清晰可見，表明了它們旋轉前進的方向。

做到這些可不容易。許多旋渦星系面朝我們，其角度使我們不易看清它們的旋臂；有的星系因碰撞而融合，破壞了它們的自轉方向。隆哥先后在540光年的天域內，篩選了其中2817個較為清晰的星系圖像。

你可能以為，這些星系旋轉的方向是隨機性的。情況大致也是如此，在北天的大多天域，順時針方向旋轉的星系和逆時針方向旋轉的星系基本相當。但在某一方向上，逆時針方向上的數目比順時針方向的多許多。這確實耐人尋味。隆哥說，“這是一個重要的結果”。

到了2010年，斯隆數字巡天的數據庫上，記錄了約230000個星系。隆哥決定對此做深入研究。這一次他帶著一個畢業生小組，重復他以前的分析。最終他們取樣了15758個具有清晰旋轉的旋渦星系，其所在的天域范圍擴大到遠離我們12億光年之處。這一次，統計學上的誤差僅為0.116%。

那么，隆哥觀察南天的情況又如何呢？這可得回溯到1999年。當時，日本國家天文臺的兩位天文學家根據設在智利的歐洲南方天文臺的約8000個南天星系的數據，編寫了它們自轉方向的目錄。他們看到了一種偶極效應：某一種自轉狀態的星系遠多于別的狀態。日本天文學家說，“其意義并不大”。

但隆哥看出了他們未看出的東西。沿著南天同一軸線看去，順時針方向的旋渦星系明顯多于逆時針方向的。其實這正是同一效應的結果，前者在北天，現在是在南天，只是反過來罷了。

對隆哥來說，他已經得出了一個重要結論。他說：“若這種不對稱是真實的，意味著宇宙具有一個凈角動量。”角動量類似于能量，它不能被創造，也不能被消滅。因此這也就意味著宇宙自誕生以來就具有自轉，只有這樣才能解釋上述現象。由于星系沿著某一軸線受到一個額外的沖擊，使得其中的絕大多數以同一方向自轉。而這個“某一軸線”，正是宇宙原始的自轉軸線。

宇宙必定一直自轉下去，而我們卻沒有注意到。隆哥說：“我們未能看出它在自轉，那是因為我們身在其中，而我們又不能到外面去看它。”若隆哥的看法成立，那將是一件轟動的事。它的意義在于，無論你從哪里去看，宇宙并不都是相同的，它有其特殊的方向，在那個方向上將產生某些事件，而其他方向則不然。宇稱不守恒了，宇宙學原理似乎弱化了。

地球并不在一個特殊的地方，雖然它看上去十分理想，被安放在可沿宇宙獨有的自轉軸線去觀察的地方。在大爆炸時，所有的空間從一個無限小的點開始膨脹，原始自轉軸也隨著膨脹，但它仍然在那里，指向同一方向。

那么，是什么力量使它自轉的呢？也許來自其他的宇宙。不過，隆哥不去研究這個第一推動，他更實際一些，去觀察它產生的效應。

他的這一發現，至少得到了宇宙學家S.亞歷山大（賓夕法尼亞州，哈佛福特學院）的贊同。他認為，隆哥的看法也可解釋另一不對稱：在我們的宇宙中，物質為何會占有絕對性的優勢？

在物理學中，這是一個棘手的問題。標準模型中，物質和反物質之間是絕對對稱的，在大爆炸后二者應等量創生，并在不到1秒的時間內相互完全湮滅。可是，星系、恒星等物質世界的存在，使得這個十分成功的模型大為遜色。

那么，是什么參與了進來，使得物質占了優勢？2004年，亞歷山大及其同事證明說，這個肇事者就是引力，它是標準模型唯一不能涵蓋的力（大自然中有四種基本力：引力、電磁力、強弱核力和引力）。

他們說，若引力在大爆炸后的第一瞬間破壞宇稱守恒定律，那就將產生一種時空的破綻（即引力波），它們是不對稱的；此時新生的宇宙剛進入暴脹期，時空極大地膨脹，物質與反物質在此時產生。不對稱的引力波影響到暴脹，致使產生了物質占優勢的局面。加拿大的一位理論家說，“那個研究十分美麗，它把引力波的波幅跟物質與反物質的不對稱聯系了起來”。

留下的一個大問題是，究竟什么使得引力在最初始的地方破壞了宇稱守恒。在這里，亞歷山大和隆哥走到了一起：沒有更原始的東西了，只有宇宙的自轉。亞歷山大認為，這可以在宇宙微波背景輻射中找到線索。宇宙微波背景輻射具有2.7K的均衡溫度，它是大爆炸的余燼。隨著宇宙空間的膨脹，從幾乎無限高溫冷卻到目前的這個低溫。

但若對宇宙微波背景輻射做仔細觀測，就可以看到有較熱和較冷的斑點，它們均勻地鋪在天空上。更有意思的是，若在大尺度空間去觀察，其中有些斑點似乎開始排列起來，幾乎指向同一方向，在宇宙微波背景輻射圖上形成一條清晰的軸。

美國航空航天局的威爾金森微波各向異性探測器小組，已對宇宙微波背景輻射繪出了詳細圖像。他們說：“斑點排列的這一事實毋庸置疑。”雖然有些令人不太相信，但宇宙微波背景輻射上的斑點的奇怪排列方式不會消失。亞歷山大認為，這一指向同一方向的排列，就是不對稱引力波所產生的效應。

用隆哥的觀點去看，那些沿著某根軸線運動的星系，它們的旋轉方向似乎呈同一手性，與宇宙微波背景中的那條軸大致一樣。亞歷山大說，這表明它們之間是有聯系的。

從這些觀測中，亞歷山大獲得了一條啟示性的線索：最初始的自轉宇宙給引力帶來了宇稱破壞的不對稱，這使得物質相比反物質占了優勢。這一宇宙性的重大事件留下了兩個標記，即宇宙微波背景輻射上的那條軸和隆哥所指出的星系排列。

不久后，我們就能看到數據，進而確定這究竟是幻想還是真實。

歐洲空間局的普朗克衛星，已在天上繪制十分詳細的宇宙微波背景輻射的圖像。如果普朗克也像威爾金森微波各向異性探測器那樣，找到那條清晰的軸，將是最好的信號，說明這一效應是真實的。

馬沙納利小組打算使用日本國家天文臺的8.2米望遠鏡（設在夏威夷），以更高的分辨率去研究北天。馬沙納利說，“我們將看到更多的星系，從而易于判斷出旋轉的方向”。此外，大型天氣探測望遠鏡，其口徑達8.4米，并配有3200個百萬像素的攝影機，它將于2020年投入使用，以研究南天。

科學界將以這樣或那樣的方法去解決宇宙自轉的問題。不論結果如何，有望在下一個10年得到答案。