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在我们的生活周遭,无论从微小的尘埃到宏伟的行星,我们常常目睹一个物体围绕另一个物体作圆周运动。诸如:电子围绕原子核旋转,月亮环绕地球,地球又绕太阳转,而太阳则围绕银河系中心运动。那么,银河系又是绕着什么在旋转呢?或者更广义地,我们的宇宙是否也在旋转?今天,我们就来探讨这一问题。
让我们追溯到宇宙的诞生之初。
在宇宙充满物质、辐射、中微子、暗物质或者任何我们目前已知的粒子之前,宇宙的早期经历了一个被称为指数膨胀的过程,在这个阶段,宇宙中唯一的能量便是空间自身的固有能量。这个时期被称为宇宙暴涨时期,它不仅引发了大爆炸,还塑造了大爆炸初期那个炽热、稠密,充满了物质与辐射的宇宙,这就是我们所称的宇宙诞生。
在暴涨的过程中,我们所知的是,真空能量产生了量子级别的起伏,但这些起伏之间并不能相互影响,因为宇宙的膨胀速度超过了相互作用的光速。而且暴涨是处处均衡、各方向同性的,并没有表现出任何特殊方向的偏好。
暴涨结束后,宇宙内部的能量逐渐转化为物质、反物质和辐射。然而,有一小部分的真空能量依旧以某种形式“锁”在了空间中,也就是我们现在所称的暗能量。这些量子起伏在膨胀的宇宙中造就了密度或高或低的区域。
这便是我们所称的“大爆炸”阶段,宇宙中开始形成标准模型所描述的所有粒子,以及我们尚未发现的其他粒子。从一开始,所有的基本粒子都具有一种称为自旋的固有角动量。
例如,每个电子、夸克和中微子的自旋为±½,每个胶子或光子的自旋为±1。倘若引力的量子形式与我们目前所认为的一致,那么引力子的自旋将为±2,而在所有基本粒子中,唯有希格斯玻色子的自旋为零。
宇宙中所有粒子最初被创造出来的那一刻,它们彼此之间还没有机会产生相互作用。根据我们的理解,宇宙并非生来就存在一个物体绕着另一个物体转动的情形。但粒子是带着内在的动能诞生的,并且在宇宙的不同区域存在着密度差异。
随着粒子的碰撞和引力的相互作用,密度较高的区域在引力的作用下聚集了越来越多的物质和能量,而密度较低的区域则变得更加稀疏,它们会把物质和能量传递给周边密度较大的区域。
随着宇宙的冷却,夸克们结合形成原子核,这些原子核也拥有自己的角动量,遵循着原子核和粒子物理的规律。同样地,当宇宙冷却到足以形成中性原子时,这些原子并不是按照波尔模型中的“行星轨道”排列,而是电子占据着特定的量子态,这些量子态各自拥有固有的自旋和轨道角动量。
当宇宙开始形成中性原子时,高密度与低密度区域间的引力差异相比宇宙初期已经放大了许多倍。
在宇宙还年轻时,那些独特的引力区域最终形成了我们现在看到的恒星、星系、星系团等,而这些区域(尚未在引力作用下塌缩成星系的气体云)会相互移动,并施加引力作用。
除非这些引力源(气体云)拥有不可思议的完美球形特性,并且仅沿直线运动,否则两个气体云之间会施加一种非常特殊的力:潮汐力矩。
物质和能量在不同点上的相对运动不一致性,会在引力作用下产生扭矩,类似于我们向上或向下推动扳手使螺母转动。
潮汐力矩存在于大小不同的尺度上,影响着我们所知的每一点物质,直至单个原子间的相互作用。随着时间推移,引力坍缩开始发生,这些角动量足以使巨大的气体云缓慢旋转。
在物理学中,有一些量是守恒的。除了熟知的能量守恒,我们还有动量守恒。观察花样滑冰运动员,当他们将手臂和腿靠近身体时,便可看到动量守恒的效应。
通过改变一个系统的惯性矩(使质量分布更接近旋转轴),根据角动量守恒定律,系统的角速度或转速就必须增加。例如,太阳的自转周期略小于一个月,如果我们将太阳坍缩成一个和地球差不多大小的白矮星,那么它的角速度将会增加到每36分钟自转一周。
当我们观察恒星系统、行星和卫星、甚至整个星系时,我们实际上看到的不仅仅是一个密度大的静止物体,这证明了宇宙中的每一个已知系统都经历了潮汐力矩的相互作用,并且相对于宇宙中的其他物体拥有非零的角动量。
星系绕什么旋转?
换言之,我们都知道大多数星系中心都有超大质量黑洞,但黑洞的存在并不是星系旋转的根本原因,即便没有黑洞,星系也会继续旋转,恒星也会继续围绕星系中心旋转。实际上,我们也看到了许多没有中心黑洞的螺旋星系,它们也在正常运转。
因此,万有引力、不可避免的潮汐力矩和角动量守恒,是所有天体都在旋转的根本原因。因此在星系团中,星系也在围绕中心旋转,而这个中心并没有什么超大质量的天体存在。
宇宙是否在旋转?
另一方面,如果我们将整个宇宙作为一个整体来考虑,目前我们认为宇宙整体上并不在旋转,因为万有引力(也永远不会)有机会在比可观测宇宙更大的尺度上产生相互作用,即使存在多元宇宙,而这些宇宙间没有任何联系和信息交互,毕竟我们现在认为引力是以光速传播的,而宇宙的膨胀速度已经超过了光速。
从理论角度看,宇宙也可能具有一定的角动量,但这并非由引力造成,而是它天生的特性。如果是这样,这将是一个巨大的谜团!
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快照生成时间:2024-11-14 11:45:04
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