■ 陳壯叔

在物理學(xué)中有一個基本原理，叫做宇稱宇宙。這個理論認(rèn)為，一個物理過程與其鏡像是無法區(qū)分的，或者說，你在右手坐標(biāo)中做的物理實(shí)驗(yàn)，翻到左手坐標(biāo)中去做，二者是相同的。

但是到了20世紀(jì)50年代，事情有了變化，兩位年輕的學(xué)者——李政道和楊振寧——宣稱宇稱守恒可被打破。不久，物理學(xué)家在做鈷60的放射性β衰變實(shí)驗(yàn)中，果然看到了宇稱不守恒。李政道和楊振寧也因此獲得了諾貝爾獎。

既然在微觀世界中宇稱守恒可被打破，那么在宏觀世界中，是否也會如此呢？

這是一個既誘人又異端的問題。要知道，宇宙的宇稱守恒假設(shè)，是跟所謂的宇宙學(xué)原理相關(guān)的：不論你在宇宙中的什么地方，不論你往什么方向去看，總體來說都是相同的。你無法區(qū)分出宇宙的左與右，宇宙中也沒有一個特殊的方向。迄今，這是現(xiàn)代宇宙學(xué)的哲學(xué)基礎(chǔ)，沒有什么比這更為深刻了。

而密歇根大學(xué)的物理學(xué)家隆哥經(jīng)過長期的研究，發(fā)現(xiàn)宇宙一直在自轉(zhuǎn)。這個發(fā)現(xiàn)不但打破了宇宙的宇稱守恒，還有助于解決一個最大的奧秘，即有關(guān)物質(zhì)世界的存在之謎。

隆哥的這個發(fā)現(xiàn)，是既轟動又古怪。自2000年以來，隆哥一直在新墨西哥州的阿帕奇波因特天文臺工作，利用其2.5米口徑的望遠(yuǎn)鏡收集橫跨北天約100萬個星系的圖像。他所觀測的旋渦星系，其旋臂清晰可見，表明了它們旋轉(zhuǎn)前進(jìn)的方向。

做到這些可不容易。許多旋渦星系面朝我們，其角度使我們不易看清它們的旋臂；有的星系因碰撞而融合，破壞了它們的自轉(zhuǎn)方向。隆哥先后在540光年的天域內(nèi)，篩選了其中2817個較為清晰的星系圖像。

你可能以為，這些星系旋轉(zhuǎn)的方向是隨機(jī)性的。情況大致也是如此，在北天的大多天域，順時針方向旋轉(zhuǎn)的星系和逆時針方向旋轉(zhuǎn)的星系基本相當(dāng)。但在某一方向上，逆時針方向上的數(shù)目比順時針方向的多許多。這確實(shí)耐人尋味。隆哥說，“這是一個重要的結(jié)果”。

到了2010年，斯隆數(shù)字巡天的數(shù)據(jù)庫上，記錄了約230000個星系。隆哥決定對此做深入研究。這一次他帶著一個畢業(yè)生小組，重復(fù)他以前的分析。最終他們?nèi)恿?5758個具有清晰旋轉(zhuǎn)的旋渦星系，其所在的天域范圍擴(kuò)大到遠(yuǎn)離我們12億光年之處。這一次，統(tǒng)計(jì)學(xué)上的誤差僅為0.116%。

那么，隆哥觀察南天的情況又如何呢？這可得回溯到1999年。當(dāng)時，日本國家天文臺的兩位天文學(xué)家根據(jù)設(shè)在智利的歐洲南方天文臺的約8000個南天星系的數(shù)據(jù)，編寫了它們自轉(zhuǎn)方向的目錄。他們看到了一種偶極效應(yīng)：某一種自轉(zhuǎn)狀態(tài)的星系遠(yuǎn)多于別的狀態(tài)。日本天文學(xué)家說，“其意義并不大”。

但隆哥看出了他們未看出的東西。沿著南天同一軸線看去，順時針方向的旋渦星系明顯多于逆時針方向的。其實(shí)這正是同一效應(yīng)的結(jié)果，前者在北天，現(xiàn)在是在南天，只是反過來罷了。

對隆哥來說，他已經(jīng)得出了一個重要結(jié)論。他說：“若這種不對稱是真實(shí)的，意味著宇宙具有一個凈角動量?！苯莿恿款愃朴谀芰?，它不能被創(chuàng)造，也不能被消滅。因此這也就意味著宇宙自誕生以來就具有自轉(zhuǎn)，只有這樣才能解釋上述現(xiàn)象。由于星系沿著某一軸線受到一個額外的沖擊，使得其中的絕大多數(shù)以同一方向自轉(zhuǎn)。而這個“某一軸線”，正是宇宙原始的自轉(zhuǎn)軸線。

宇宙必定一直自轉(zhuǎn)下去，而我們卻沒有注意到。隆哥說：“我們未能看出它在自轉(zhuǎn)，那是因?yàn)槲覀兩碓谄渲?，而我們又不能到外面去看它?！比袈「绲目捶ǔ闪?，那將是一件轟動的事。它的意義在于，無論你從哪里去看，宇宙并不都是相同的，它有其特殊的方向，在那個方向上將產(chǎn)生某些事件，而其他方向則不然。宇稱不守恒了，宇宙學(xué)原理似乎弱化了。

地球并不在一個特殊的地方，雖然它看上去十分理想，被安放在可沿宇宙獨(dú)有的自轉(zhuǎn)軸線去觀察的地方。在大爆炸時，所有的空間從一個無限小的點(diǎn)開始膨脹，原始自轉(zhuǎn)軸也隨著膨脹，但它仍然在那里，指向同一方向。

那么，是什么力量使它自轉(zhuǎn)的呢？也許來自其他的宇宙。不過，隆哥不去研究這個第一推動，他更實(shí)際一些，去觀察它產(chǎn)生的效應(yīng)。

他的這一發(fā)現(xiàn)，至少得到了宇宙學(xué)家S.亞歷山大（賓夕法尼亞州，哈佛福特學(xué)院）的贊同。他認(rèn)為，隆哥的看法也可解釋另一不對稱：在我們的宇宙中，物質(zhì)為何會占有絕對性的優(yōu)勢？

在物理學(xué)中，這是一個棘手的問題。標(biāo)準(zhǔn)模型中，物質(zhì)和反物質(zhì)之間是絕對對稱的，在大爆炸后二者應(yīng)等量創(chuàng)生，并在不到1秒的時間內(nèi)相互完全湮滅?？墒牵窍?、恒星等物質(zhì)世界的存在，使得這個十分成功的模型大為遜色。

那么，是什么參與了進(jìn)來，使得物質(zhì)占了優(yōu)勢？2004年，亞歷山大及其同事證明說，這個肇事者就是引力，它是標(biāo)準(zhǔn)模型唯一不能涵蓋的力（大自然中有四種基本力：引力、電磁力、強(qiáng)弱核力和引力）。

他們說，若引力在大爆炸后的第一瞬間破壞宇稱守恒定律，那就將產(chǎn)生一種時空的破綻（即引力波），它們是不對稱的；此時新生的宇宙剛進(jìn)入暴脹期，時空極大地膨脹，物質(zhì)與反物質(zhì)在此時產(chǎn)生。不對稱的引力波影響到暴脹，致使產(chǎn)生了物質(zhì)占優(yōu)勢的局面。加拿大的一位理論家說，“那個研究十分美麗，它把引力波的波幅跟物質(zhì)與反物質(zhì)的不對稱聯(lián)系了起來”。

留下的一個大問題是，究竟什么使得引力在最初始的地方破壞了宇稱守恒。在這里，亞歷山大和隆哥走到了一起：沒有更原始的東西了，只有宇宙的自轉(zhuǎn)。亞歷山大認(rèn)為，這可以在宇宙微波背景輻射中找到線索。宇宙微波背景輻射具有2.7K的均衡溫度，它是大爆炸的余燼。隨著宇宙空間的膨脹，從幾乎無限高溫冷卻到目前的這個低溫。

但若對宇宙微波背景輻射做仔細(xì)觀測，就可以看到有較熱和較冷的斑點(diǎn)，它們均勻地鋪在天空上。更有意思的是，若在大尺度空間去觀察，其中有些斑點(diǎn)似乎開始排列起來，幾乎指向同一方向，在宇宙微波背景輻射圖上形成一條清晰的軸。

美國航空航天局的威爾金森微波各向異性探測器小組，已對宇宙微波背景輻射繪出了詳細(xì)圖像。他們說：“斑點(diǎn)排列的這一事實(shí)毋庸置疑。”雖然有些令人不太相信，但宇宙微波背景輻射上的斑點(diǎn)的奇怪排列方式不會消失。亞歷山大認(rèn)為，這一指向同一方向的排列，就是不對稱引力波所產(chǎn)生的效應(yīng)。

用隆哥的觀點(diǎn)去看，那些沿著某根軸線運(yùn)動的星系，它們的旋轉(zhuǎn)方向似乎呈同一手性，與宇宙微波背景中的那條軸大致一樣。亞歷山大說，這表明它們之間是有聯(lián)系的。

從這些觀測中，亞歷山大獲得了一條啟示性的線索：最初始的自轉(zhuǎn)宇宙給引力帶來了宇稱破壞的不對稱，這使得物質(zhì)相比反物質(zhì)占了優(yōu)勢。這一宇宙性的重大事件留下了兩個標(biāo)記，即宇宙微波背景輻射上的那條軸和隆哥所指出的星系排列。

不久后，我們就能看到數(shù)據(jù)，進(jìn)而確定這究竟是幻想還是真實(shí)。

歐洲空間局的普朗克衛(wèi)星，已在天上繪制十分詳細(xì)的宇宙微波背景輻射的圖像。如果普朗克也像威爾金森微波各向異性探測器那樣，找到那條清晰的軸，將是最好的信號，說明這一效應(yīng)是真實(shí)的。

馬沙納利小組打算使用日本國家天文臺的8.2米望遠(yuǎn)鏡（設(shè)在夏威夷），以更高的分辨率去研究北天。馬沙納利說，“我們將看到更多的星系，從而易于判斷出旋轉(zhuǎn)的方向”。此外，大型天氣探測望遠(yuǎn)鏡，其口徑達(dá)8.4米，并配有3200個百萬像素的攝影機(jī)，它將于2020年投入使用，以研究南天。

科學(xué)界將以這樣或那樣的方法去解決宇宙自轉(zhuǎn)的問題。不論結(jié)果如何，有望在下一個10年得到答案。