宇宙大小天體都在旋轉,爲何會這樣?宇宙本身也在旋轉嗎?
環顧我們所處的世界,無論是微觀粒子的躍動,還是宏觀星球的繞轉,皆可見旋轉之美。例如,微觀領域中,電子環繞原子核飛舞;宏觀宇宙裡,行星繞着太陽舞蹈,而太陽又與它的恆星家族一同圍繞銀河系的核心旋轉。於是,好奇之心便油然而生:銀河系呢?它又在繞着何物旋轉?此外,若多元宇宙之說成立,那麼我們的宇宙是否也在這宏大的舞池中翩翩起舞?讓我們揭開謎底,探索這旋轉的奧秘。
宇宙的誕生與膨脹
在宇宙尚處混沌,物質、輻射、中微子及暗物質等現今所知的一切粒子尚未孕育之前,宇宙尚處於一場劇烈的指數膨脹之中。此時,時空之中唯一的能量源自空間自身的固有能量。這段時期,我們稱之爲宇宙暴漲時期。這場膨脹,不僅觸發了大爆炸,亦造就了大爆炸之初,宇宙那熾熱、稠密、充滿物質和輻射的奇景,即宇宙的誕生。
暴漲時期,真空能量在量子層面發生漲落,然彼此間並無互動。因空間的膨脹速度遠超光速,任何互動皆無法發生。暴漲在所有方向上都是均等的,並無任何偏好之軸。暴漲終結時,空間內在的能量轉化爲物質、反物質和輻射,而一小部分的真空能量則被鎖定於空間中,成爲我們如今所稱的暗能量。這些量子漲落,在指數膨脹的宇宙中,造就了密度有高有低的區域。
這就是大爆炸的階段。宇宙孕育出標準模型中的所有粒子,以及我們至今尚未發現的粒子。從一開始,所有基本粒子皆擁有內在的角動量,即我們所稱的自旋,這是它們不可或缺的特性。
每個電子、夸克和中微子的自旋爲±½,每個膠子或光子的自旋爲±1。若引力也遵循量子化規律,則引力子的自旋爲±2。在所有基本粒子中,只有希格斯玻色子的自旋爲零。當宇宙中的粒子首次誕生時,它們之間尚未有機會相互影響。故此,我們所知的宇宙並非天生就有一個物體繞着另一個物體旋轉的情形。然而,這些粒子從誕生之始,便攜帶着內在的動能,並且宇宙在不同位置上,有着不同的物質密度。
隨着宇宙的演化,粒子間的碰撞和引力作用開始發生。密度高的區域在引力作用下,吸引了越來越多的物質和能量;密度低的區域則變得更加稀疏,將它們的物質和能量傳遞給密度較大的鄰近區域。
隨着宇宙的冷卻,夸克們結合成原子核,這些原子核擁有它們自己的角動量,遵循着原子核和粒子物理的規律。類似地,當宇宙冷卻至足以形成中性原子時,原子不再是波爾模型中的“行星軌道”,而是電子佔據特定的量子態。這些量子態,每個都具有它們自己的固有自旋和軌道角動量。
在宇宙形成中性原子的同時,密度高低區域間的引力差異,與宇宙誕生時相比已然放大了無數倍。
宇宙尚處年輕之時,便已形成獨特的引力區域。這些區域最終演變成我們今天所見的恆星、星系、星系團等。這些尚未在引力作用下塌縮成星系的氣體雲,在宇宙間相對移動,並互相施加引力影響。
除非這些氣體雲擁有不可思議的完美球形特性,並且僅沿着直線移動,否則它們之間將施加一種特殊的力:潮汐力矩。每個物質和能量點與其它點的相對運動不一致,在引力作用下產生了扭矩,正如我們推扳手時螺母會隨之轉動。
潮汐力矩存在於大小尺度上,影響着我們所知的每一點物質,直至單個原子間的作用。隨着時間推移,引力坍縮開始發生,這些角動量足以使巨大的氣體雲緩慢旋轉。
在物理學中,有一些量是守恆的。我們熟知能量守恆:能量不能被創造或毀滅。同樣,動量也是守恆的,它也不能被創造或毀滅。觀察花樣滑冰運動員的旋轉,當他們把手臂和腿拉近身體時,即可見動量守恆的作用。
通過改變系統的慣性矩(讓質量分佈更接近旋轉軸),根據角動量守恆,系統的角速度或轉速就必須增加。例如,太陽的自轉週期略小於一個月。若太陽坍縮成與地球大小相似的白矮星,那麼太陽的角速度將增加到每36分鐘便自轉一週。
當我們觀察恆星系統、行星和衛星,乃至整個星系,所見不僅僅是一個靜止的高密度物體。我們所見之物,正是潮汐力矩作用的結果,並且每個系統相對於宇宙中其他物體都攜帶着非零的角動量。
星系繞什麼旋轉?換言之,我們知曉大部分星系中心都有超大質量黑洞,但這並非星系旋轉的根本原因。即使沒有黑洞存在,星系依然會旋轉,恆星亦會繼續繞星系中心運行。實際上,我們也觀察到許多無中心黑洞的螺旋星系,它們同樣完美地運行着。
因此,萬有引力、不可避免的潮汐力矩和角動量守恆,是所有天體旋轉的根本原因。故在星系團中,星系亦互相繞中心旋轉,而這個中心並無須存在超大質量天體。
宇宙是否在旋轉?
另一方面,若我們將整個宇宙視作一個整體,它又如何?目前,我們相信宇宙整體並未旋轉,因爲萬有引力尚無機會在比可觀測宇宙更大的尺度上相互作用。即使存在多元宇宙,這些宇宙之間也無信息交互。畢竟,我們現在相信引力是以光速傳播,而宇宙膨脹速度已超過光速。
理論上,宇宙也可能攜帶一定的角動量,但這並非由引力造成,而是它天生的特性。若果真如此,這將是另一個巨大的謎團!