地球在宇宙中的运动速度有多快?

▲在赤道的切线速度等于赤道的周长除以地球转一圈所需要的时间，即40075公里/23.93小时 = 1.675公里/小时。（你知道为什么是除以23.93小时而不是24小时吗？）该图显示你在地球上任何位置的切线速度，单位为英里/小时。

当你在阅读这篇文章时，很可能你是坐着或躺着，你会认为自己处于静止状态。但我们也知道，从宇宙的层面来看，我们并不是静止不动的。地球绕着自己的轴转动，如果此时此刻你处于赤道上，那么你会以1675公里/时的速度在空间中飞驰。这并不是一个快的速度，如果你转换一下单位，就会得到465米/秒的自转速度，跟其它的速度相比时，这实在不算什么。

▲地球和太阳的距离（a）可以通过金星的位置计算得出。从地球上的雷达发送一个信号到金星，根据信号返回到地球的时间就可以知道它们之间的距离了。而金星的最大距角（e）为46度，因此可以轻易的算出地球和太阳的距离。

地球除了自转以外，它也跟太阳系中的其它行星一样绕着太阳公转，这个速度比自转速度要快多了，大约30公里/秒。这个速度很好计算，只要知道了地球到太阳的距离，就可以算出地球绕太阳的轨道周长（假设地球的轨道为完美的圆），再除以地球再次回到相同位置的时间，即一年，就可以算出公转的速度了。从下图可以看出内行星——水星和金星——运动的速度比地球更快，但是火星（以及离太阳更远的行星）则比地球的速度慢。这在过去一直都是这样的，而且将来也都会是这样。

▲（? NASA/JPL）

但甚至是太阳也不是静止的。我们的银河系非常的巨大，在里面的所有恒星、行星、气体云、尘埃颗粒、黑洞、暗物质以及更多都在绕着银河系中心运动。

▲三角视差法是求出太阳系离银河系中心的距离的最简单方法。

太阳离银河系中心大约26000光年，绕行银河系一圈则需要2.2-2.5亿年的时间（上次太阳在现在的位置的时候还是恐龙统治的地球）。太阳在这个旅途中的速度为200-220公里/秒，这个速度比地球自转的速度要快的多，也比行星绕太阳公转的速度快的多。现在，我们只要把这些速度都考虑进来，就可以算出地球在银河系中的运动速度。

▲红外波段下的银河系。（? J. Carpenter, M. Skrutskie, R. Hurt, 2MASS Project, NSF, NASA）

但是，难道我们的星系是静止的吗？当然不是。在空间中，所有有质量的物体之间都有引力作用，引力使物质加速。只要有足够的时间，所有的物质都会在引力的作用下聚集在一起。这也是为什么一个均匀的宇宙会演化成一个成块、成团、富含星系的宇宙。这意味着什么？这意味着我们的银河系会被临近的所有的其它星系的引力所吸引；这意味着离我们最近的，质量最大的星系主宰着我们的运动；这也意味着由于引力作用，银河系以及所有临近的星系都会经历一个“总体流动”。

▲临近宇宙的结构学。（?arXiv:1306.0091）

但是，在我们完全理解所有在宇宙中影响我们的因素之前（例如宇宙诞生的初始条件，每个单独质量如何运动和随着时间演化，以及星系是如何诞生等问题），我们是无法真正的计算出我们在宇宙中的速度。至少，我们不能少了接下来我们要说的。

▲宇宙微波背景辐射的温度波动：红色代表温度较高的地方，蓝色代表温度较低的区域，这个差异其实非常的小。（? Planck）

当我们朝空间的任何方向观测的时候，我们发现空间各处都是大爆炸遗留下来的2.725开尔文的辐射——微波背景辐射（CMB）。这个温度曾经很高，但是由于宇宙的不断膨胀，温度也逐渐冷却到今天观测的2.725开尔文。

▲宇宙的演化。（? NASA/ESA）

无论我们朝天空中的任何一个方向看，我们都会看到这些宇宙大爆炸的“残余辐射”，这些辐射可谓是宇宙的第一缕光。早期的宇宙，由于温度非常高，不能形成中性原子，因为光子的碰撞会把它们分开。但是宇宙不断地膨胀使光红移（失去能量），直到足够冷却就可以产生这些原子。

▲CMB辐射前的离子化等离子体（左）；随着时间流逝，宇宙开始变的透明（右），光子在宇宙中自由的穿行。（? Amanda Yoho）

当这发生的时候，那些光子就会毫无阻碍的直线传播。现在的宇宙中遍布着这些辐射，甚至在我们的生活中都可以轻易地观测到：电视上的天线就可以接收宇宙微波背景辐射。当电视没有节目时的“雪花”，大约1%就是来自大爆炸的余晖。除了各处的温度有非常微小的差异，在所有方向都应该是一致的。

▲偶极微波背景辐射。（?arXiv:1207.3675）

但问题是，我们并没有看到完全均匀一致的2.725开尔文的背景辐射。不同区域间的温度会有微小的波动，宇宙中的“一边”看起来比较热（上图红色部分），而另“一边”比较冷（上图蓝色部分）。“最热”的一边温度为2.728K，而“最冷”的一边为2.722K。这样的一个波动差异要比其它的波动大上100倍，因此你可能会感到迷惑。难道宇宙的一半要比另一半的温度更高一点吗？

当然，其中的奥秘在于这并不是微波背景辐射的波动。

那么，会是什么能够导致光——微波背景辐射就是光——在一个方向变得更热（或者更高能量），而在另一个方向更热（或者更低能量）？运动！

▲在运动的方向，光波被压缩了（蓝移）；而在远离运动的方向光波被拉伸了（红移）。（? TxAlien）

当你朝着一个光源移动的时候（或者光向你移动），光会蓝移至较高的能量；当你远离一个光源的时候（或者光向你远离），它就会发生红移，因此能量变低。这便是众所周知的多普勒效应。因此，CMB的一边温度要比另一边高并不是什么内在的禀性，而是因为我们在空间中的运动。从多普勒效应中，我们可以计算出太阳系相对于CMB的运动为368 ± 2 公里/秒。本星系群的运动，包括把太阳、银河系、仙女座星系和其它所有的天体，相对于CMB的速度为627 ± 22 公里/秒。这其中的不确定性大部分都来自于太阳围绕着银河中心运动的不确定，也是最难被测量的部分。

▲（? Helene M. Courtois, Daniel Pomarede, R. Brent Tully, Yehuda Hoffman, Denis Courtois.）

或许我们并没有一个通用的参考框架，但是有一个参考系对我们非常有用：CMB的静止系，这也跟宇宙哈勃膨胀的静止系一致。我们看到的所有星系都有“本动速度”，这个速度为几百到上千公里/秒。太阳的本动运动是368公里/秒，本星系群的本动运动为627公里/秒，这跟我们理解的所有星系如何在空间中运动完美符合。感谢宇宙大爆炸的余晖，我们不仅知道我们不是处在宇宙中一个特殊的位置，我们也知道我们并不是静止的，而是在不断地运动。