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人工智能

我们能否判断宇宙是否在旋转?

作者: 来源: 时间:2019-09-04

旋转,似乎是这个宇宙的一个普遍的现象,地球上,飓风是旋转的、漏斗中的水也是旋转的,再往大了看,地球在自转、地球围绕太阳在旋转、太阳围绕银河系在旋转等,似乎一切都在旋转,那么宇宙是否也在旋转呢?宇宙膨胀是宇宙旋转离心力的结果吗?要回答这些问题,我们还要向前追溯。

牛顿的“水桶实验”

众所周知,牛顿因为被苹果砸了脑袋,所以发现了万有引力定律,为什么叫万有引力定律呢?因为他发现宇宙的一切物体相互之间都存在引力,只要知道一个星球的当前位置就可以预测它的下一个位置,这个宇宙就像一台精密的机器,所以,牛顿始终认为,宇宙是绝对的,空间是绝对的。

他在《自然哲学的数学原理》一书中说道:“绝对空间,就其本性来说,与任何外在的情况无关,始终保持着相似和不变。

比如,我从北京坐火车去了西藏,但是北京仍然在那里,我坐火车返回就还能到北京,这一切都是确定的,再比如月亮的位置,我确定了月亮当前的位置,我就能预测接下来它所有的位置和时间,这似乎也是确定的。

为此,牛顿用一个旋转的水桶说明这种绝对的空间观念,想象一根长绳下面吊着一个注入了水的水桶,如果我们顺时针转动水桶,吊着水桶的绳索就会卷起,但当我们松开水桶的时候,水桶就会逆时针旋转,而且将会越转越快,与此同时,桶内的水也将跟着旋转,正如牛顿所写的,水的表面“将逐渐从中间下降,而沿桶壁上升形成凹面。”不多久,水将和水桶一起旋转,最后水桶旋转将逐渐停止,而水面也将最终归于平静。

如何解释水在旋转的水桶中沿桶壁上升这一现象呢?有人会说,这是因为“离心力”的作用,高中就学过。那么我就会问你,为什么物体旋转会有“离心力”呢?你还能回答吗?

这个问题,牛顿这样回答的,他认为唯一能解释这个问题的方法,就是水是相对于绝对空间旋转的。这就意味着,另一个概念必须被提出来——惯性。“惯性”指的是一个物体对其速度或运动方向的任何变化的抵抗。一旦水桶和水开始旋转,水桶的侧面就会阻止水进行直线移动,相反它会将水推向边缘。

马赫原理

但是,又一个问题被提了出来,为什么物体会有惯性呢?

1883年,奥地利物理学家恩斯特·马赫出版了《力学史评》,他写道:“牛顿的旋转水桶实验只是告诉我们,水对于桶壁的相对旋转不引起显著的离心力,而这离心力是由水相对地球及其他天体质量的相对转动所产生的。如果桶壁愈来愈厚,愈来愈重,直到厚达几英里时,那就没有人能说这实验会得出什么样的结果。”“如果把水桶固定,让众恒星旋转,能够再次证明离心力会不会存在吗?

马赫的意思是说,根本不存在绝对空间和绝对运动,物体的运动是相对于宇宙中天体的运动;物体的惯性不是物体自身的属性,是宇宙中所有天体作用的结果,撤掉某个物体周围的所有其他物质,则无法去判断它作什么运动,因而它也就不再具有惯性。

也就是说,水相对宇宙旋转,与完全固定水桶让水桶外的宇宙绕水桶旋转效果将是一样的,都能形成凹型水面,根本上来说是宇宙中所有其他物质相对水作旋转运动对水的引力的合力的结果。如果马赫的观点正确,那么远远近近的星系和恒星在某种意义上是造成牛顿的旋转桶中的凹形水面的原因。但是马赫并没有说明这些遥远的恒星和星系是如何施展他们的影响力的。

马赫的说法受到年轻时的爱因斯坦的极力推崇,并将马赫原理融入自己的理论——相对论。

宇宙在旋转吗?

根据马赫原理,假如将整个宇宙比作牛顿的水桶,那么除非宇宙外面还有其他物质,否则的话,我们就无法从经验上判断宇宙是否在旋转,因为我们无法得知宇宙到底是相对于什么东西在旋转。

但是,爱因斯坦的广义相对论却并不排斥宇宙旋转,它实际上提供了多种方法,让一个密闭的实验室里的观察者可以检测实验室是否在旋转。例如,这个观察者可以观察陀螺仪的运动,或者测量萨格纳克效应是否为零。

萨格纳克效应实验图

知识链接:萨格纳克效应( Sagnac Effect)是1913年萨格纳克发明了一种可以旋转的环形干涉仪。将同一光源发出的一束光分解为两束,让它们在同一个环路内沿相反方向循行一周后会合,然后在屏幕上产生干涉,当在环路平面内有旋转角速度时,屏幕上的干涉条纹将会发生移动,这就是萨格纳克效应。

当然,除了广义相对论,还有一种比较系统的引力理论叫Brans-dicke引力理论,在这种理论中,也可以得出一个和马赫相同的结论,也就是宇宙可能没有任何有意义的旋转感。

然而,科学家运用太阳系统测试方法,排除了由Brans-Dicke引力预测的广义相对论的任何显著偏差,这进一步确定了广义相对论的正确性,也因此间接的承认了广义相对论的一个推论,宇宙有可能是旋转的。

所以,1947年,有个叫哥德尔的科学家,发现了爱因斯坦场方程的一个宇宙学解,即哥德尔度规。

哥德尔宇宙

哥德尔度规描述的宇宙是一个不断旋转的宇宙。这种宇宙不膨胀,所有的物质都绕着一个对称轴匀速转动。其中也包含了爱因斯坦的宇宙学常数,但不同的是,这里的宇宙学常数小于零,因此产生的是引力,和物质的引力一起抵消了转动产生的离心力。这本身就够有趣的了,但哥德尔的宇宙还有一个完全令人无法想象的性质:它允许时间旅行。哥德尔证明,时空中的一些路径形成了闭合的回路。

想象某物质沿着中心轴匀速转动,这将对光锥产生影响。光锥表示每一点所发出的光线所经过的地方。当我们离开中心时,光锥就开始倾斜,并扩大了开口,这是因为转动的线速度增大了。在距转动轴一定距离的地方,光锥完全翻倒,与空间相切,然后倒扣了起来,于是光线就沿着开口朝下(过去)运动。假设你的星球以前在p点,现在在q点。要想再次回到p点的话,你就要朝着临界圆外部的一个点加速运动,然后向过去运动到p点之前的某个地方,进入那时的临界圆,然后再向未来运动到p点。你总是在走向你的“未来”,但却回到了你的“过去”。

如果我们生活在一个旋转的宇宙中,比如哥德尔的宇宙中,旋转的速率必须用角速度来表示,而不是角动量,因为广义相对论甚至没有一个适用于宇宙时空的角动量的定义。而角速度可以由陀螺仪或萨格纳克效应测量。

陀螺仪

为了弄清宇宙是否在旋转,原则上最直接的测试就是观察陀螺仪相对于遥远星系的运动。如果它以相对于它们的角速度-ω旋转,则宇宙以角速度ω旋转。在实践中,我们没有具有足够小的随机和系统误差的机械陀螺仪来对ω施加非常低的限制。然而,我们可以使用整个太阳系作为一种陀螺仪。“太阳系统观测”给出了一个与模型无关的旋转上限10^-7弧度/年,但是这个数量级还是太过宽松,无法排除哥德尔度规。

宇宙微波背景

一个旋转的宇宙必须有一个特定的旋转轴,所以它必须有一个特定类型的各向异性,从而我们可以挑选出某个优选的方向。因此,我们可以观察宇宙微波背景,看看它的各向异性是否包含一个首选轴。这样的观测施加了一个比太阳系统测量更严格的限制(可能是10^-9 弧度/年或10^-15弧度/年),但这种限制是依赖于模型的。

由于目前所有的观测结果都与零旋转速度一致,所以不可能将任何重要的宇宙学作用归因于旋转,由此看来,宇宙应该是没有旋转的,而宇宙膨胀也应该不是宇宙旋转产生的结果。

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