宇宙在旋转吗？

当我们向外看宇宙时，我们可以看到各个方向的物体，它们与我们的距离跨越了数百亿光年。
一个物体离我们越远，它离开我们的速度就越快，标准的解释是空间结构正在膨胀，我们正在看到它的视线结果。
但也有理由问，如果更远的星系后退得更快，它们是否也会有相应的横向运动？这是否意味着宇宙会因此而旋转？这是一个值得探讨的有趣的问题。

每次我们观察宇宙时，我们只能看到其中的一小部分信息。观察一个遥远的物体，如星系或类星体，我们可以确定它有多远，测量它的表观亮度和表观大小，还可以确定它的光红移的严重程度。那个红移给了我们一个引人入胜的信息：这个星系似乎以多快的速度从我们身边退去，主要是由于宇宙的膨胀？

但是您可能还想知道，如果远处的物体似乎沿着我们的视线很快地从我们身边退去，它们是否也有很大的横向（或左右）运动？如果他们这样做了，而不是膨胀，宇宙会旋转吗？而且，如果是这样，那会产生什么后果？这就是迈克·德保罗想知道的，他写信问道：

“我喜欢读你关于宇宙的文章。你有没有被问过这个问题，‘宇宙在旋转吗？’”

从我们在宇宙中的角度来看，重要的是要记住我们可能不能直接观察到的东西。当我们观察来自远处物体的光时，我们无法看到它的所有属性。当然，我们可以测量从该物体到达的所有光子，并且其中编码了大量信息。

• 我们看到了内部恒星发出的所有星光的总和。
• 任何激发的分子或原子，其中电子从较高能级级联到较低能级，也会发光，这是我们观察到的一部分。
• 任何介入发射光和我们眼睛之间的中性原子或分子都会吸收光；该信号也会印在我们观察到的光上。
• 宇宙的几何形状——即沿着该物体的视线各处的空间曲率——也会影响光线，这会影响物体的亮度和大小。
• 宇宙的膨胀，以及发射源相对于我们的相对运动，也被印在光上，随着红移或蓝移改变其波长。

这为我们提供了令人难以置信的大量信息来处理，但在所有这些信息中缺少的是：在垂直于我们视线的方向上，每个物体的速度有多快移动？

你必须记住星系之间的距离有多大才能理解为什么会这样。在大多数情况下，除了最近的星系之外，所有的星系都在数千万到数百亿光年之外。即使一个星系在太空中移动得非常快——比如说，大约是光速的 10%——它的位置随时间的变化是无法观察到的。一个距离我们 10 亿光年的星系以 10% 的光速横向移动，在十年的时间跨度内，其位置只会改变 1 光年。

我们可以测量我们银河系中一些最近的恒星的 1 光年变化，就像我们对天鹅 61恒星所做的那样：第一颗观察到的恒星随着时间的推移而改变其位置。但是对于一个距离我们十亿光年的星系来说，这相当于在十年的时间跨度内其表观位置的变化仅为千分之 0.2 角秒，这一变化远远超出了现代天文技术的当前极限。 .

即使是距离银河系最近的大星系仙女座，当我们将它拍摄的第一张照片（从 1888 年）与今天的照片进行比较时，都表明其中没有一颗恒星以当前可以探测到的方式移动技术。

但仅仅因为我们无法观察到某事并不意味着它没有发生。你可以很容易地想象，除了我们看到的视线运动（物体越远就会越来越大）之外，宇宙中的物体也有相当大的横向运动。当然，根据我们可以从视线观察中推断出的运动，空间似乎正在扩大，但它也会旋转吗？只要存在的旋转量低于我们仪器设定的当前限制，就不能通过观察排除这种想法。

然而，仅仅因为没有任何关于旋转宇宙的关键证据并不意味着我们不能对这个想法发表任何明智的看法。事实上，从理论的角度来看，我们可以推导出旋转的宇宙在广义相对论的背景下会如何表现，然后讨论如果宇宙在旋转，我们预计会出现什么样的后果。

不过，在我们进入实际宇宙之前，让我们从一个更简单的场景开始，以帮助我们了解旋转增加了什么。让我们先考虑一个存在于空间中的单一点质量，而不是一个巨大的、膨胀的宇宙：一个不旋转的黑洞。

这种黑洞——史瓦西黑洞——非常简单。任何在由这种质量分布支配的时空中移动的物体都会经历空间向黑洞中心“流动”的过程，“流动”的速度越接近黑洞本身，速度就越快。为了不掉入黑洞，你必须更快地移动，要么远离黑洞，要么沿着与它的横向方向（导致围绕它的轨道），你越接近。

一旦你离得太近，即使在黑洞的视界内，你的移动速度将无法阻止你坠入。此时，你所能做的就是接近中心点，离得越近它，破碎的重力就越大。宏观物体被撕裂成它们的组成原子；原子被撕裂成亚原子成分；甚至质子和中子也会被撕裂成更基本的夸克和胶子。最终，所有穿过事件视界内部的东西都只会增加中心奇点的质量，而中心奇点本身只不过是一个点。

但是如果你有一个旋转的黑洞而不是一个不旋转的黑洞，那么一切都会有所不同。

具有非零固有角动量的单个质量会创建一个与具有零角动量的时空非常不同的时空。你得到的是克尔黑洞，而不是史瓦西黑洞。为了让您了解这个实体有多复杂，请考虑一下史瓦西解是广义相对论中最早发现的解之一，该解是在完整理论公布后不到两个月发布的。与此同时，克尔解决方案直到又过去了 47 年才被发现：直到 1963 年。它的发现者Roy Kerr目前仍然健在，享年 88 岁。

旋转黑洞具有许多与非旋转黑洞截然不同的特性。

• 它不是一个事件视界，而是两个：外部事件视界和内部事件视界；前者是无法逃脱的地方。
• 在事件视界之外还有一个称为能层的区域：从这个区域理论上可以提取能量，即使整个能层总是位于这个黑洞不旋转的史瓦西半径内。
• 奇点不是单点，而是一维环，环的直径与黑洞拥有的角动量成正比。
• 而且，也许最深刻的是，如果你要穿过以环奇点为界的圆形区域，你就会离开已知的宇宙，进入理论物理学家所说的反宇宙！

因此，您可能会期望，如果我们考虑一个具有全局、整体旋转的宇宙，它也会有一些奇怪和不直观的属性。您不仅不会感到失望，而且您可能会惊讶地发现，在广义相对论的背景下，旋转宇宙有一个精确的解决方案，它是由数学家和哲学家库尔特·哥德尔在 1949 年首次提出的。众所周知就像哥德尔宇宙一样，虽然其中的能量形式包括无压物质的均匀背景和（负）宇宙学常数，其中物质围绕宇宙中的单个旋转轴旋转。

这个时空的一个显着特征是，任何物质粒子发出的光都会首先向外盘旋，然后形成一个圆形尖点，然后向内盘旋，重新会聚到原始粒子上。

这意味着，至少在某些方向上，你只能向外看一段有限的距离，而在此之外，你还可以从更早的时候看到自己。

然而，也许这个宇宙最显着的特性是它要求在其中存在封闭的类似曲线。

闭合类时曲线在数学物理学中是一种潜在的病态行为，因为它意味着您可以：

• 离开你的初始位置，
• 穿越太空，
• 回到你最初离开的地方，
• 并发现，当您返回时，您的时间坐标与您离开的时间相同。

换句话说，一个在其中具有闭合类时曲线的宇宙必然意味着你可以通过时间倒退到过去，以及这种情况带来的所有自相矛盾的后果。

但与其详述如果你在你的父母中的一个还没有怀孕之前杀了你的祖父会发生什么，我宁愿向你保证这个版本的旋转宇宙并不能描述我们自己的现实。一方面，我们的宇宙可以拥有的宇宙常数类型在量级上更强，并且与我们所做的暗能量观测一致的错误符号。另一方面，哥德尔宇宙不允许膨胀，我们看到它在膨胀。另一方面，哥德尔宇宙中不允许发生大爆炸，我们看不到过去的自己，并且应该有尽可能多的物体向我们移动和远离我们：我们根本看不到的东西。

但也许我们对宇宙内旋转的最重要限制来自于测量我们可以观察到的最早的光：大爆炸本身的剩余辉光。最严格的分析是在 2016 年由 Daniela Saadeh 领导的一个团队完成的，研究人员指出，任何旋转都需要一个首选的宇宙“轴”：它围绕它旋转的轴。如果这个轴存在，它将导致宇宙在不同方向上具有不同的属性：各向异性宇宙。特别是，我们会在来自宇宙微波背景的温度和极化数据中看到与涡度相关的信号。

我们不仅发现了宇宙中总允许自转量的极其严格的限制——自热大爆炸开始以来，整个可观测的shebang必须旋转不到百分之一度——而且宇宙是令人难以置信的各向同性：各个方向都一样。事实上，即使在最弱约束的情况下，宇宙也会在各个方向膨胀到超过 100,000 分之一。简而言之，不仅没有证据表明宇宙正在旋转，而且在我们可以测量宇宙的所有方面，它都指向完美的各向同性：所有方向上的行为都相同。宇宙既没有旋转也没有向我们可以观察到的任何方向拉伸。

在理解我们所居住的宇宙时，我们能做的最重要的事情之一就是探索最新的理论可能性。通过这样做，我们可以从每一个独特的场景中提取具体的、定量的预测。这同时给了我们一些寻找和希望的东西，同时，它使我们能够限制这种场景对我们的宇宙的有效性、可行性或相关性。在旋转宇宙的情况下，证据始终强烈反对它，但继续以可用的最佳精度调查这种可能性也很重要。

事实上，随着对宇宙的观察随着时间的推移不断改进，哥德尔本人经常会问：“宇宙还在旋转吗？” 今天，以前所未有的信心，我们可以断言，它不仅没有旋转，而且它的属性在任何一个方向上都可能与其他方向不同的想法受到了极大的限制。我们必须始终了解我们正在做出哪些假设，以及这些假设经过了多么充分的测试，因为任何违反我们预期的行为都会扰乱甚至破坏我们构建现实概念的基础。

幸运的是，宇宙在所有方向上都是相同的假设已经过最高精度的测试，没有发现任何旋转、拉伸或任何形式的旋转。理论上，宇宙可能在旋转，但在实践中，数据只是告诉我们事实并非如此。