[비즈한국] “儘管如此，地球仍在轉動！”據說伽利略在走出審判庭時曾低聲呢喃過這句話。（實際上並沒有證據表明他說過。）確實，宇宙中的任何事物都在旋轉。地球在轉，月球和太陽在轉，我們的銀河系也在轉。宇宙中存在的一切，在誕生之初就不可避免地帶有微小的角動量。如果對構成整個系統的所有粒子的運動取平均值，卻發現它完全不向任何方向旋轉、整體角動量完美抵消為零，那反而顯得有些不自然。此外，宇宙中的所有天體都是由原本散佈在更廣闊空間的粒子在引力作用下匯聚而成的。在這一過程中，旋轉半徑變小，為了守恆總角動量，旋轉速度必然會加快。所以，宇宙中的一切都在滴溜溜地轉動。
那麼，整個宇宙又如何呢？如果是這樣的話，我們所居住的整個宇宙的角動量會不會也不為零呢？
事實上，這個問題在天文學史上已經存在了很久。我們尚不確定確切的答案。不過，到目前為止，還沒有發現我們宇宙在旋轉的跡象。但如果我們接受“宇宙可能正在旋轉”這一大膽假設，或許能完美解決現代宇宙學中最令人頭疼的謎團。如果宇宙確實在旋轉，那麼因觀測方式不同而導致宇宙膨脹率數值不一致的“哈勃張力（Hubble Tension）”難題，就能得到簡單的解釋。
實際上，宇宙整體可能正在旋轉的想法，是由一位非凡的數學家在1949年提出的。庫爾特·哥德爾（Kurt Gödel），這位以哲學家兼數學家身份聞名的人物，利用愛因斯坦的引力方程找到了一個非常獨特的解。他假設宇宙充滿了像透明流體一樣的介質。哥德爾將這種介質稱為“塵埃”，並構建了一個充滿介質且整體旋轉的宇宙模型。
根據愛因斯坦的相對論，具有質量的物體會扭曲周圍的時空。如果在此基礎上加上質量體旋轉的效應，就會產生更戲劇性的效果。想象一下在被子上放一個保齡球並讓它旋轉。隨著保齡球的轉動，被子也會隨之扭曲。事實上，宇宙時空中所有旋轉的物體都會像擰毛巾一樣帶動周圍的時空。這被稱為“參考系拖拽（Frame dragging）”。這種效應在兩星環繞的脈衝雙星中，以及探測器掠過木星進行重力助推的軌道中都得到了證實。
如果像哥德爾想象的那樣，宇宙真的在整體旋轉，那麼參考系拖拽效應必然在整個宇宙中發生。由於時空本身被旋轉帶動，我們在觀測時，遙遠宇宙和近處宇宙的時空扭曲程度就會產生差異。只有將這種效應納入考量，才能更公正地掌握從遙遠宇宙到近處宇宙的膨脹率——即哈勃常數。
最近，一篇令人震驚的論文發表了，它實際上檢驗了哥德爾的大膽想象。在現代宇宙學中，哈勃張力是讓天文學家頭疼的難題之一。哈勃張力指的是衡量宇宙膨脹率的哈勃常數，會因為觀測方法不同而得出不同的結果。
根據觀測宇宙中銀河系遠離速度與距離的比對，得出的哈勃常數大約是73km/s/Mpc。這是最傳統、最直接獲取宇宙膨脹率的方式。許多天文學家認為這種方式本身沒有致命問題。當然，測定銀河系的距離可能會有較大誤差，實際上近期也有研究對此提出質疑，但哈勃空間望遠鏡和詹姆斯·韋布空間望遠鏡接連進行大規模觀測的結果顯示，哈勃常數一直保持在相似的水平。
我們也可以透過早期宇宙在極高溫度下均勻膨脹並冷卻過程中留下的微弱無線電訊號來了解宇宙的膨脹率。這種對應於大爆炸殘餘熱量的無線電訊號被稱為“宇宙微波背景輻射”。根據普朗克衛星最近的觀測，哈勃常數大約為67km/s/Mpc。這比透過直接觀測銀河系退行現象估算出的數值要小。也就是說，透過銀河系退行現象掌握的宇宙膨脹，比透過宇宙冷卻餘溫留下的痕跡估算的膨脹看起來更快。
在兩種觀測方法差異被提出的20年前，天文學家們並沒有太苦惱。當時兩者的誤差都很大，測定值在大致的誤差範圍內重合。人們曾期待隨著誤差逐漸縮小、觀測方式更加精密，數值會收斂到一個點。但隨後20年發生的事情恰恰相反。雖然透過銀河系退行和宇宙微波背景輻射各自估算的哈勃常數誤差大幅縮小，但兩者的差異反而變得更加明顯。這種明明在追尋同一個宇宙的膨脹，卻彷彿在觀測兩個不同宇宙的尷尬難題，被稱為“哈勃張力”。
這篇論文提出了一個有趣的可能：正是因為宇宙在整體旋轉，導致近處宇宙和遙遠宇宙觀測到的哈勃常數實際不同。論文核心結論的圖表非常有趣。圖表的橫軸表示大爆炸後流逝的宇宙時間，縱軸顯示了隨著宇宙演化，哈勃常數是如何變化的。
圖表最下方的兩條黑色虛線分別展示了基於超新星的銀河系觀測值和透過宇宙微波背景輻射估算的兩種哈勃常數測定值。可以看到它們有細微的差異。這種差異正是前面提到的哈勃張力。這兩個數值都代表了現在這一時刻的宇宙膨脹率，即當下的哈勃常數。
然而，隨著宇宙的膨脹，哈勃常數也在改變。圖表中的藍線顯示了當今受天文學家最信賴的宇宙標準模型——ΛCDM模型下哈勃常數的變化過程。這是反映了暗物質和暗能量的最標準模型。圖表中的綠色和紫色線則展示了在這篇論文提出的宇宙旋轉模型中，設定不同的旋轉速度時，哈勃常數會如何變化。
特別是在圖表左側和右側詳細顯示的插圖（inset）中，展示了在宇宙微波背景輻射開始擴散的極早期和當今時刻，各模型下的哈勃常數與實際觀測結果的吻合度。在早期宇宙粒子密度降低、原初光線擴散開來、宇宙微波背景輻射開始傳播的時刻，無論是既有的ΛCDM模型還是旋轉宇宙模型，哈勃常數的數值都相似。
但進入現代，差異開始拉大。ΛCDM模型得出的藍線與應用了旋轉宇宙模型的綠線、紫線出現了明顯分叉。ΛCDM模型的結果經過了稍低的67km/s/Mpc，這恰好與宇宙微波背景輻射觀測出的哈勃常數一致。然而，應用了旋轉宇宙模型的結果經過了稍高的73km/s/Mpc區間，這恰好與透過直接觀測銀河系退行現象估算出的哈勃常數一致！這篇論文推測，這是因為透過直接觀測銀河系推算的宇宙膨脹率展現的是相對較近的宇宙面貌，而透過宇宙微波背景輻射看到的則是遠距離宇宙的面貌。
如果宇宙像哥德爾的模型那樣在整體旋轉，那麼根據距離的不同，我們看到的宇宙面貌確實可能不同。也就是說，哈勃張力可能是因為我們根據不同的觀測方式，實際上看到了稍微不同的宇宙而產生的結果！
那麼，為了解釋目前觀測到的哈勃張力，即銀河系退行現象觀測到的宇宙膨脹率達到73km/s/Mpc，我們的宇宙需要整體旋轉得有多快呢？其實非常慢。如果宇宙以大約5000億年旋轉一圈的速度極其緩慢地轉動，就足以解釋現在的哈勃張力。我們完全可以理解為什麼我們在此之前透過實際觀測無法感受到整個宇宙的旋轉。
這篇論文提出的宇宙整體旋轉速度太慢，讓你感到失望了嗎？還有更令人吃驚的訊息。5000億年旋轉一圈的宇宙速度，正好與旋轉宇宙所能擁有的最快極限速度相吻合！如果宇宙以比這更快的角速度旋轉，就會導致時空糾纏、時間倒流等所有物理定律崩潰的問題。如果假設宇宙恰好是以理論上能擁有的最快旋轉速度在轉動，那麼現存的許多宇宙學難題都能迎刃而解！這確實是一個讓人豎起耳朵、無法簡單歸結為巧合的結果。
這個有趣的巧合讓人想起上次介紹過的“黑洞宇宙論”。即我們的宇宙可能是一個被困在另一個巨大黑洞中的世界的假說。這個想法始於這樣一個觀點：大爆炸後的宇宙和黑洞本質上沒有物理區別，都是所有質量匯聚於一點的奇點。宇宙中存在的所有黑洞也都具有極快的自旋，同樣地，如果我們的宇宙也被困在黑洞中，那麼它自然也應該具有自旋。這裡還隱藏著另一個巧合。如果真的假設宇宙整體被困在黑洞中，並考慮當前宇宙的總質量，計算出如此沉重的黑洞所能擁有的事件視界有多大，結果竟然與我們目前掌握的可觀測宇宙的大小大致相當！
無論是整個宇宙的視界大小，還是宇宙的整體旋轉速度，如果假設我們的宇宙確實是一個被困在黑洞中的世界，所有解釋似乎都能對得上。遺憾的是，透過觀測來驗證我們的宇宙是否真的在整體旋轉非常困難。因為我們就身處宇宙之中。如果我們隨著周圍的時空以相似的速度旋轉，那麼無論怎麼觀察四周，都沒有辦法察覺宇宙是否真的在轉動。
另外，理論上提出的宇宙旋轉速度也慢得離譜。即便這個假說成立，宇宙轉一圈也要花上5000億年。而我們所知的當前宇宙年齡只有138億年。未來還需要度過相當於宇宙已存在時間36倍的漫長歲月，才能堪堪轉完一圈。無論如何持續觀測遙遠宇宙中的銀河系，僅僅透過幾年的觀測，是無法察覺到那些天體的位置是否在發生微小偏差的。
不過我們可以思考間接的方法。如果宇宙整體的角動量不為零，那麼宇宙中孕育的所有銀河系取平均後，最終應該共享一個向特定方向微弱旋轉的成分。我們可以從統計學上確認整個宇宙銀河系的旋轉方向是隨機分佈的，還是確實帶有特定的方向性。最近介紹的一項研究也關注了這種可能性（相關報道 [科學] 宇宙為何順時針旋轉）。
說實話，直到最近，天文學家對這種說法一直非常懷疑。傳統上，人們一直認為宇宙沒有特別的方向性，只是一個萬物均勻分佈的世界。這種觀點在天文學中被稱為“哥白尼原則”，即宇宙中沒有任何地方是特殊的。
但近來，這種觀點也開始受到質疑。在整個宇宙中，人們不斷髮現規模巨大到與可觀測宇宙大小相比也不容忽視的超大結構，這些結構中銀河系的密度分佈不均。甚至在觀察宇宙微波背景輻射時，也顯露出無法理解的可疑方向性。確認出的景象彷彿宇宙的一半在向我們靠近，而另一半在遠離我們。即使剔除我們太陽系自身的運動，這種無法理解的方向性依然存在。近期揭示的這些情況讓人不禁懷疑：我們的宇宙是否真的是一個對任何人來說都絕對公平、均勻，並適用哥白尼原則的世界。
“儘管如此，宇宙仍在旋轉。”在伽利略審判後的400年後的今天，人類再次站在了圍繞宇宙旋轉的新審判庭前。在那400年間，我們需要思考的宇宙尺度已經變得極其宏大。畢竟這次是整個宇宙的旋轉。
參考資料
https://academic.oup.com/mnras/article/538/4/3038/8090496
作者Ji Ung-bae是？熱愛貓咪和宇宙。兒時看了《銀河鐵道999》後，立志要傳達宇宙之美。目前在延世大學銀河演化研究中心及近宇宙論實驗室研究透過銀河間相互作用進行的演化，並從事講座、寫作等多種科學傳播活動。著有《曖昧的天文臺》、《整天思考宇宙》、《星，光的科學》等書籍。