宇宙是否在旋转？答案能告诉我们宇宙的基本性质

　　据国外媒体报道，环顾太空，你会发现很多东西——行星、恒星、卫星，甚至星系本身——都有一个共同点：它们在旋转。那么，宇宙也在旋转吗？

　　宇宙学家一直在积极研究这个谜团，因为这个问题的答案能告诉我们宇宙的基本性质。“和大多数宇宙学问题一样，这也是一个非常抽象的问题，但宇宙学研究者认为，这是研究基础物理学的一种方法，有些东西无法在地球的实验室里进行验证，所以人们利用宇宙和宇宙的几何结构，从中获得一些关于基础物理学的新发现。

　　在思考宇宙的基本性质时，科学家首先假设宇宙并没有在旋转，而是各向同性的，即宇宙在各个方向上看起来都是一样的，这个假设与爱因斯坦的方程一致，但又不是这些方程所要求的，基于这种想法，科学家建立了一个描述宇宙的标准宇宙学模型。

　　这种假设已经整合到计算方法中，分析数据和做其他很多事情的方式也与此有关，但这种假设必须得到验证，科学研究不能只抱着最好的希望。

　　为了了解这些关于宇宙及其基本物理学的假设是否正确，科学家收集了观测数据，对模型进行验证。他们特别使用了来自宇宙微波背景（cosmic microwave background，简称CMB）的辐射数据。这些辐射是我们所能观测到的宇宙中最古老的光——在大爆炸后38万年时发出——堪称宇宙学家研究宇宙的信息宝库。

　　宇宙微波背景辐射在各个方向上看起来几乎是一样的，但显示出微小的温度变化（只有千分之一度），这种变化来自于宇宙历史、内容和几何形状的影响。通过研究这些差异，科学家可以看到宇宙是否以某种方式被扭曲——意味着一个方向上的旋转或膨胀比另一个方向增加得更多，测量光的偏振（本质上就是光的方向）同样可以提供关于宇宙几何结构的信息。

　　科学家发现，宇宙微波背景辐射没有显示出宇宙在旋转的证据。此外，根据一项研究显示，宇宙各向同性的可能性是120000∶1，这意味着无论你朝哪个方向看，宇宙看起来都是一样的，另一项研究发现，宇宙有95%的几率是均匀的，表明在大尺度上，宇宙的任何地方都是相同的。

　　所有这些研究都表明，宇宙在很大程度上是均匀的，而且没有在旋转。这个结论很可能不会改变，未来几十年里，天文学家对宇宙微波背景辐射的偏振测量可能会有所改善，但新的数据不太可能挑战之前的发现。

　　宇宙没有在旋转的结果对于基于这一假设建立模型的宇宙学家来说无疑是一种解脱，而这也提供了一个关于我们在宇宙中位置的有趣视角。之所以提出这个问题，其实是源于认为人类是宇宙中心的想法，事实上，我们是如此的渺小和微不足道，这真的很有趣。

　　宇宙微波背景

　　宇宙微波背景是宇宙学中“大爆炸”遗留下来的热辐射，是一种充满整个宇宙的电磁辐射，其特征与绝对温标2.725K的黑体辐射相同。宇宙微波背景的发现被认为是检验大爆炸宇宙模型的里程碑，其观测数据有时被称为“大爆炸理论的四大支柱”之一（另外三种观测数据分别是从星系红移观测到的哈勃膨胀、宇宙间轻元素的丰度，以及大尺度结构和星系的演化）。

　　20世纪40年代，物理学家拉尔夫·阿尔菲和罗伯特·赫尔曼研究了宇宙大爆炸理论，提出若大爆炸存在，则宇宙膨胀应该会拉长，并将极早期宇宙的高能辐射冷却到微波范围，并降温至大约5K。换句话说，他们预言了宇宙微波背景的存在，然而，当时这一预言并没有引起人们的关注。1964年，美国射电天文学家阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊偶然发现了宇宙微波背景，他们也因此获得了1978年的诺贝尔物理学奖。

　　最有名的宇宙微波背景辐射观测实验可能是美国国家航天航空局（NASA）的宇宙背景探测者（COBE）卫星，运行时间为1989—1996年。该实验在有限的探测能力下探测并定量了大尺度的各向异性。根据COBE的测量结果，宇宙微波背景辐射谱非常精确地符合温度为2.726±0.010K的黑体辐射谱，证实了银河系相对于背景辐射有一个相对的运动速度。

　　数据分析结果还表明，扣除掉这个速度对测量结果的影响，以及银河系内物质辐射的干扰，宇宙背景辐射具有高度各向同性，温度涨落的幅度只有大约百万分之五。目前的主流理论认为，这个温度涨落起源于宇宙在形成初期极小尺度上的量子涨落，它随着宇宙的暴胀而放大到宇宙学的尺度上，并且正是由于温度的涨落，造成宇宙物质分布的不均匀性，最终得以形成诸如星系团等大尺度结构。

　　2001年6月，NASA推出了第二个宇宙微波背景太空任务，即威尔金森微波各向异性探测器（WMAP），以更精确地测量整个天空的大尺度各向异性，该任务在2003年披露了首次结果，显示与宇宙暴胀及其他理论的预期大致相符。

　　WMAP对宇宙微波背景在不同方向上涨落的测量表明，宇宙的年龄是137±1亿年，在宇宙的组成成分中，4%是一般物质，23%是暗物质，73%是暗能量；宇宙目前的膨胀速度是每秒71公里每百万秒差距；宇宙空间是近乎于平坦的，它经历过暴胀的过程，并且会一直膨胀下去。

　　欧洲空间局（ESA）的普朗克卫星是第三个观测宇宙微波背景的太空任务，于2009年5月升空，目前正在进行更详细的观测。（任天）