为何很多绕转的天体系统（卫星、太阳系、星系）都是扁平的，而宇宙却是各向同性？

这个问题触及了天文学中的一个核心疑惑：为什么我们观察到的许多天体系统呈现出扁平的结构，而宇宙整体却似乎是均匀分布、没有明显方向性的？要解答这个问题，我们需要从天体形成的过程、引力的作用以及宇宙的演化等多个层面去理解。

天体系统的扁平化：引力的“魔法”与角动量守恒

首先，让我们聚焦于为什么像卫星绕行星、行星绕恒星、恒星绕星系中心运转的系统会呈现出扁平的盘状结构。这背后有着几个关键的物理原理在起作用：

云团坍缩与引力： 绝大多数天体系统，无论大小，其形成之初都是从巨大的、弥漫的分子云开始的。这些分子云主要由气体（主要是氢和氦）和尘埃组成。在某些触发因素下（比如附近超新星爆发产生的冲击波），云团的一部分会开始收缩，这个过程叫做引力坍缩。引力是万有吸引力，它会将云团中的物质拉向中心。

角动量守恒： 这是解释扁平化的关键。想象一下，当你从滑冰场上旋转，然后收紧双臂时，你会转得更快。同样的道理，当原始的分子云开始坍缩时，它并非是完全静止的。即使最初的运动非常微弱，但随着云团的收缩，它的角动量必须守恒。角动量是衡量物体绕轴旋转的量的指标，它与物体的质量、速度和到旋转轴的距离有关。当云团的半径减小时，为了保持角动量不变，它的旋转速度就必须加快。

离心力与压力的平衡： 随着云团旋转加快，它会产生一个向外的离心力。这个离心力在旋转方向上与引力向内拉扯的力量抗衡。在垂直于旋转轴的方向上，没有显著的角动量，因此引力可以更有效地将物质拉向中心。

碰撞与摩擦： 在坍缩过程中，云团内部的气体和尘埃粒子会相互碰撞。这些碰撞会耗散能量，特别是那些垂直于旋转平面的运动。想象一下，如果一个粒子在垂直于旋转轴的方向上运动，它很快就会与其他粒子发生碰撞，这些碰撞会将它的运动“打散”，使其能量转化为热能，最终沿着旋转平面运动。这就像是在旋转的盘子里，上下颠簸的东西会因为碰撞而逐渐被“压扁”。

最终的盘状结构： 经过引力坍缩、角动量守恒以及内部碰撞的共同作用，物质最终会被“压扁”到一个相对扁平的、围绕中心物体旋转的盘状结构中。这就是我们看到的行星盘（孕育行星的场所）、原行星盘，以及最终形成的行星系统、恒星盘（形成恒星周围的尘埃盘）和星系盘。例如，太阳系中所有行星都几乎在同一个平面（黄道面）上绕太阳公转，并且公转方向大致相同，这都是其形成时原始太阳星云扁平化的体现。

为什么宇宙整体却是各向同性的？

现在，我们来对比一下宇宙整体的景象。宇宙，或者说我们所处的可观测宇宙，在宏观尺度上呈现出令人惊叹的各向同性（Isotropy）和均匀性（Homogeneity）。这意味着：

各向同性： 无论你朝哪个方向看，宇宙的表现都是相似的。没有一个特殊的“中心”，也没有一个方向是“优先”的。我们接收到的来自遥远星系的光，其性质、分布规律等方面，在各个方向上都是大致相同的。

均匀性： 在足够大的尺度上，宇宙中的物质分布是平均的。不存在某个区域特别“拥挤”，而另一个区域特别“稀疏”。

那么，为什么宇宙整体不像星系那样形成一个扁平的、有明确旋转轴的结构呢？这背后是宇宙尺度、形成机制和我们观察视角的不同：

宇宙的起源：大爆炸与暴胀理论： 宇宙的形成并非始于一个局部坍缩的分子云。我们目前最广泛接受的理论是大爆炸理论。根据大爆炸理论，宇宙起源于一个极度炽热、致密奇点，并在138亿年前开始膨胀。

早期宇宙的微小扰动： 大爆炸的初始状态并非完全均匀。量子涨落使得早期宇宙存在极其微小的密度差异。这些密度差异是宇宙后来形成结构（星系、星系团）的种子。

宇宙暴胀： 为了解释我们观察到的宇宙的巨大尺度和极端平坦性（几何上），科学家提出了宇宙暴胀理论。该理论认为，在宇宙诞生后极短的时间（大约10^36秒到10^32秒之间），宇宙经历了一段指数级的、极其快速的膨胀。这次暴胀将早期宇宙的微小、随机的量子涨落“拉伸”到了宏观尺度。

宏观尺度的“平均化”： 想象一下，你有一个小而粗糙的表面，然后你把它无限地拉伸。在这个拉伸过程中，表面的粗糙度会被极大地稀释，从宏观上看，这个表面会变得越来越光滑和平坦。宇宙暴胀也是如此，它将早期的、近乎均匀但含有微小扰动的物质分布，在极大的尺度上“平均化”了，使得宏观上的密度差异变得非常小。

引力在宏观尺度上的作用： 虽然引力在形成天体系统（如星系）时起着关键作用，但在宇宙的整体演化中，它更多地是促使物质聚集形成我们看到的结构，而不是导致整体旋转和扁平化。

局部结构的形成： 在宇宙尺度上，那些早期微小的密度扰动区域，由于引力作用，物质会比平均密度区域聚集得更多。这些区域最终成为了我们今天看到的星系、星系团和超星系团。

整体的惯性运动： 宇宙的膨胀是一种空间的膨胀，而不是物质在空间中的运动。在没有显著局部引力中心的情况下，宇宙整体并没有一个统一的、指向明确的旋转轴。即使宇宙中所有的星系都在以某种方式运动，但从宏观上看，这些运动是随机的，且被宇宙膨胀的效应所“稀释”了。

观测的尺度效应： 我们观察宇宙的尺度非常大。当我们将目光投向数百兆秒差距（ Mpc，1 Mpc约等于326万光年）之外时，我们看到的不再是单个星系，而是无数星系的集合。在这个尺度上，即便存在局部结构的旋转，它们之间的方向是随机的，加起来在统计学上就表现为各向同性。就像你看到一碗沙子，里面每一粒沙子的方向都不同，但从整体上看，这碗沙子没有一个明确的“朝向”。

总结

天体系统之所以扁平，是因为它们形成于局部区域，在引力坍缩过程中，角动量守恒和内部碰撞将物质“压扁”到旋转的平面上。这是局部的、有明确中心和旋转轴的物理过程。

而宇宙整体之所以是各向同性的，是因为：

1. 起源不同： 宇宙的起点是大爆炸，而非局部云团坍缩。
2. 暴胀效应： 宇宙暴胀在宏观尺度上“平均化”了早期微小的密度差异，使其看起来极其均匀。
3. 尺度差异： 我们在宏观尺度上观察宇宙，局部结构的随机性被平均掉了。宇宙的膨胀是一种空间尺度的扩张，而不是一个整体的旋转。

所以，我们看到的扁平盘状结构是天体“聚集”和“旋转”的产物，而宇宙的各向同性则是其“起源”和“膨胀”的宏观表现。两者描述的是不同尺度、不同层面的物理现象，并不矛盾。

网友意见

题主的问题让我回想起了初学量子力学时候的一个问题，有异曲同工之妙。

量子力学中的电子绕固定正电荷的模型是一个非常典型的量子力学问题（氢原子），正电荷提供的势能形式为：

,

这个势能显然是与角度无关的，当时我自然的会认为薛定谔方程的解也会是与角度无关的，或者说解应该是个“球形”的，但是真实的解如下图所示：

对于这个结果做个简要说明。氢原子模型中的解有很多个，这些解可以用能量、角动量以及角动量在 轴的分量进行分类。上图中，同一行的图代表能量相同（对于氢原子，同样也是角动量相同）但角动量在 轴分量不同的解。

可以看到，除了第一行中的解是球形的，后面其它的解均不是球形的。但同时，这些解又都是绕 轴是旋转对称的。这是什么原因呢？这让初学量子力学的我百思不得其解。

后来经过一段时间的思考以及与老师的讨论，才发现这个问题其实并不难。第一个图是球形的，原因在于这个解是0角动量，也就是说不是旋转的，那自然是球形的解。然后再看第二行，第二行的对应的解角动量不为零，然后这个解又可以用角动量在 轴的分量可以分成两个，或者说，对于这两个的任何一个都是这个整体解的一部分，所以只要把这两个解加起来（当然不是直接相加，而是按照量子力学里的方式）就可以发现其和是球形的！同样的后面的每一行把所有的分量解加起来后也都能得到球形解。一切都很完美了。

现在回过头来看看题主的问题。在牛顿引力中，中心天体提供的引力势为：

,

和氢原子模型中的一毛一样，所以此时题主问题的答案也就显而易见了：

当只考虑一个天体系统的时候（相当于按照角动量方向进行分类），只是自转轴对称的，但是宇宙中天体系统的转动方向是随机的，把各种可能的天体系统相加，最终得到的结果就会是一个“球形”的解，或者说，在大尺度上，宇宙是各向同性的。

其实通过天体运动的方程也可以看出这一点。比如地球绕太阳运行是一个椭圆方程，

，

其中 是这个椭圆的长轴和短轴，或者说就只是长度，这个解中并不包含角度，换句话说，地球的运动时方向无关的，这本身就已经包含了各向同性的含义。在广义相对论中，也有类似的结论，比如说史瓦西度规：

，

这个是球形引力场下的度规，实际上已经是假设了旋转不变才得出的。当然，得到这个结果后再验证一下的话确实是旋转不变，所以在后续的行星轨道计算时可以根据方便给定一个自转轴，比如说常用的：
。

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