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宇宙中的天体都在旋转,那么宇宙本身是否也在旋转?

2019-12-05 03:12暂无阅读:1757评论:0

“不管有没有我,地球依旧在旋转,一切都在继续。”——菲尔·安塞尔莫

在我们周围,从微观到宏观,我们最容易感受到的是一个物体围绕另一个物体旋转。例如:电子绕核,卫星绕行星,行星绕恒星,恒星绕着星系中心。那么问题来了,星系是绕着什么东西旋转,或者说绕着什么东西公转?并且我们现在知道可能存在多元宇宙,那么我们的宇宙是否也绕着什么在旋转?今天就说下这个问题。

让我们从宇宙的最开始说起!宇宙暴涨创造了大爆炸的初始状态,自旋是粒子与生俱来的特性

在我们的宇宙充满物质、辐射、中微子、暗物质或目前在其中发现的任何粒子之前,宇宙的初期处于一种指数膨胀的状态,在时空中唯一的能量是空间本身固有的能量。这就是宇宙暴涨时期,是它导致了大爆炸发生也创造了大爆炸初期宇宙炽热、稠密充满物质和辐射的状态,我们称之为宇宙的诞生。

在暴涨的时间里,据我们所知,真空能量发生了量子涨落,但彼此之间不能相互作用,因为空间的膨胀的太快,在光速下进行相互作用无法发生。而且暴涨在所有地方和所有方向上都是一样的,也没有任何特殊类型的首选轴。

当暴涨结束时,空间内在的能量衰变到物质、反物质和辐射中,但是有一小部分真空能量被“锁”在了空间里,就是我们现在说的暗能量。这些量子涨落在指数膨胀的宇宙中产生了密度过高和密度过低的区域。

这就是我们所说的大爆炸阶段。宇宙创造出了标准模型中的所有粒子和我们目前尚未发现的粒子。从一开始,所有的基本粒子都具有固有的角动量:一种被称为自旋的特性,无法与粒子本身分离。

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。假设引力是按照我们所认为的量化方式,那么引力子的自旋为±2,在所有基本粒子中,只有希格斯玻色子的自旋是零。

粒子生来并没有相互之间的角动量

当宇宙中所有的粒子被第一次创造出来的时候,粒子之间还没有机会相互作用。所以说根据我们的理解,宇宙并不是生来就有一个粒子绕着其他粒子转的。但是粒子生来就具有内在的动能,并且宇宙在不同的位置上有着不同的密度。

当粒子碰撞和引力相互作用时,密度过高的区域会在引力的作用下吸引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,把它们的物质和能量转移到附近密度相对较大的区域。

当宇宙冷却时,夸克凝聚成原子核,原子核有自己固有的角动量,受原子核和粒子物理定律支配。类似地,当宇宙冷却到足以形成中性原子的时候,原子并不是波尔“行星轨道”模型,而是电子会占据特定的量子态,所有的量子态都有自己固有的自旋和轨道角动量,如上图所示。

当宇宙形成中性原子时,密度过低和密度过高区域之间的引力差异跟宇宙刚诞生时相比,已经被放大了很多倍。

引力作用下的潮汐力矩

当宇宙还很年轻的时候,宇宙就有了独特的引力区域,这些区域都会发展成我们现在看到的恒星、星系、星系团等等,而这些区域(还没有在引力作用下塌缩成星系的气体云)会彼此相对移动,并对彼此施加引力。

除非这些引力源(气体云)都具有非常不可思议的特性:即它们都是完美的球形,同时气体云的只是沿着假想的直线运动,那么两个气体云之间会对彼此施加一种非常特殊的力:潮汐力矩。

每一个点上的物质和能量与其他物质和能量运动的相对不一致,都会在引力的作用下产生一个扭矩,就像我们向上或向下推扳手会使螺母转动一样。

潮汐力矩在大小尺度上存在,并影响了我们所知的每一点物质,一直到单个原子之间的相互作用。随着时间的推移,引力坍缩开始发生,这些少量的角动量(其中50%应该是顺时针,50%应该是逆时针)足以使巨大的气体云旋转得非常缓慢。

在物理学中有一些守恒量。我们对能量守恒很熟悉:能量不能被创造或毁灭。但是还有一个动量守恒,动量也不能被创造或毁灭。如果你观察一个旋转的花样滑冰运动员,当他或她把胳膊和腿拉近身体时,你就可以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),根据角动量守恒系统的角速度或转速就必须增加。例如,我们的太阳自转周期略小于一个月,如果我们把太阳坍缩成一颗白矮星,一个和地球差不多大小的物体,那么太阳的角速度将会增加到每36分钟就会自转一周!

A级恒星和白矮星

当涉及到恒星系统,单个的行星和卫星,或者整个星系时,我们实际上看到的不止是一个密度大的静止物体,这就证明了宇宙中每一个已知的系统都经历过潮汐力矩的相互作用,并且相对于宇宙中的其他物体具有非零的角动量。总结:星系、星系团中心引力并不是一些旋转的根本

星系绕什么旋转?

换句话说,我们都知道大部分星系的中心都有一个超大质量黑洞,但是黑洞的存在并不是导致星系旋转的根本原因,即使没有黑洞的存在星系也会继续旋转,恒星也会继续围绕星系中心旋转!事实上,我们也看到许多没有中心黑洞的螺旋星系,这些星系也在照常完美的运行。

所以万有引力、不可避免的潮汐力矩和角动量守恒是一切天体都在旋转的根本原因!因此在星系团中,星系也在互相绕中心旋转,而这个中心并不需要有什么超大质量的天体!

宇宙是否在旋转?

另一方面,如果我们把整个宇宙看作一个整体呢?我们目前认为宇宙没有在整体旋转,因为万有引力没有(也永远不会有)机会在比可观测宇宙更大的尺度上相互作用,就算存在多元宇宙,而这些宇宙之间是没有任何联系和信息交互的,毕竟我们现在认为引力是以光速在传播,而我们宇宙的膨胀速度都已经超过光速了。

从理论上讲,宇宙也可能有一定的角动量,但这不是引力造成的,而是它与生俱来的特性,如果真是这样,这将又是一个巨大的谜团!