Question

地球相对于宇宙空间的运动速度是多少？

Answer 1

我们知道地球在太阳系中是如何运动的，也知道我们在银河系中是怎样运动的， 那么我们在宇宙中是怎样运动的？

我们生活在地球上，万有引力把我们牢牢的束缚在地球表面，当我们坐着或者躺下来休息的时候，通常会认为自己静止不动，然而当我们走出地球，在太阳系的层面上，我们会看到地球就像一艘宇宙飞船，正在以极高的速度在太阳系中飞驰。

首先，地球每时每刻都在绕轴自转，在其赤道上的线速度达到了1700公里/小时的速度。

1700公里/小时！这个速度对我们人类的飞行器来说已经相当快了，但在宇宙的层面的并不怎么快。如果我们小时换算成秒，地球的自转速度就会变成每秒0.5公里。

地球除了自转，还跟太阳系的其他星球一起，绕母恒星公转。地球为了克服太阳的引力，保持其稳定的轨道，公转速度达到了30千米/秒，这比它的自转要快的多。在地球轨道内部的行星，例如：金星和水星，它们的公转速度更快，因为引力更大，而地球轨道外部的所有行星由于离太阳远，所以公转的就相对较慢。

以上就是太阳系运动的样子，但是太阳也不是鼓励的存在与宇宙中，而是身处在更大的结构银河系中，为了使得银河系这样的大结构跟太阳系一样稳定，银河系也必须旋转，不然就会因为引力坍缩在一起。

所以巨大的银河系也在运动，它里面的所有恒星、行星、气体、尘埃、黑洞、暗物质以及你能想到的任何物质都在银河系内部运动，这些物质都会给银河系提供一个净引力，而且它们的运动也会受到所有物体引力的影响。这时一个十分复杂的系统，因为包含的物质是在太多了。

我们太阳系可以说处在银河系的郊区，离银河系中心25000光年，这个位置并不是那么的嘈杂和繁华，相对来说一些异常天体的活动比较少，物质密度也小，所以就更加安全。

太阳系绕银河系中心运行的轨道也是一个椭圆形的轨道，周期为2.2 - 2.5亿年左右，在这段漫长的旅途中，太阳的运动速度为每秒220公里，这比地球的自转和公转也快的多。

那么，我们可以把地球的自转和公转，以及太阳的公转叠加在一起，就能知道我们身处在地球上，是如何在银河系中运动的。

上图其实是对太阳系运动最准确的描述，有些动图会出现外行星滞后内行星的情况，这其实是不对的。太阳系的行星基本都处在同一平面的上，并且我们太阳系的轨道平面还跟银河系平面有一个60°的夹角，上图也体现了出来。

那么银河系除了自转在宇宙中是静止不动吗？绝对不可能，因为我们的银河系在宇宙中也不是一个孤立的场星系，而是身处在一个更大的结构中。因为在宇宙物质结构形成的过程中，基本上所有的大质量物质都会在引力的主导下，相互靠拢，并加速，有些合并在了一起形成更大的星系，而有些就会相对运动形成各大的集合。

在整个宇宙138亿年的 历史 上，所有的物质结构都会移动、聚集，最终从一个物质分布介乎均匀的宇宙变成了一个具有团块、集群、和星系结构丰富的宇宙。

那么在大尺度上，物质结构对我们银河系的运动有什么影响？

银河系也会跟我们的地球一样被周围物质的引力所影响，包括周围的星系、星期群和星系团。也就是说，银河系周围最近、质量最大的物体会直接影响银河系在宇宙中的运动。而所有的临近星系也一样，都会彼此在引力的作用下运动。

目前我们已经很精确的绘制出了银河系周围的一些星系和星系团，对我们银河系在宇宙中的运动有了更多的理解。

但是如果我们想要真正了解银河系在宇宙中的运动，仅仅是通过附近星系的引力影响是难以推断出银河系在宇宙中的运动速度，因为大家都在动，我们要以谁为参考，判定银河系的运动呢？所以我们必须找到一个静止的参考系。

不论我们看天空中的任何一个地方，都能看到大爆炸留下的2.725K背景辐射，虽然在在微波辐射中的各个区域都有微小的温度波动（大约100微开尔文），但是在天空中除了被银河系平面阻挡的地方，其他的所有区域温度都是相同的：2.725K。

产生这样充满全天空的辐射是因为在138亿年前，大爆炸的热状态就已经充满了整个宇宙，并一直在漫长的 历史 中膨胀和冷却。

在微波辐射形成之前，也就是宇宙诞生到38万年间，由于宇宙温度太高，光在会电离任何形成的中性原子，所以这时的宇宙是一个电离的状态，但是随着宇宙空间的扩张，光子红移损失能量后，宇宙冷却中性原子才能形成。

当中性原子形成以后，光子就可以在宇宙中自由的沿直线传播了，经过漫长的旅程就达到了我们现在的地球。

按理说微波辐射在全天空是均匀的，但事实上，我们观察到的微波辐射并不是完全一致的2.725K，而是天空的一半区域到另外一半区域存在细微的差别。一边看起来稍微能热一点，而另外一遍稍微冷一点。

微波辐射是覆盖了全天空的图案，这说明宇宙的一半是热的，一半是冷的？这显然不可能。

虽然热的一面是2.728 K，而冷的一面的2.722 K，看起来相差不大，但是这个温度波动比其他尺度上的波动高了100倍左右。

为什么能在这么大的尺度上产生比尺度更大的波动呢？

答案肯定不是宇宙一半热，一半冷，当然这也不属于宇宙微波背景上的真实波动。

其实还有一种效应可以让微波辐射的光子在一个方向上更热，一个方向上更冷，那么就是运动！

这其实就是多普勒效应，向光源移动，光的能量会增加；远离光源，能量就会降低。

所以微波辐射一半热、一半冷的原因并不是宇宙本身的原因，而是我们在太空中运动的问题。由于微波辐射背景是绝对静止的。所以我们就可以通过微波辐射的红移知道我们在宇宙中的运动速度。

我们知道太阳系在银河系中运动，银河系在本地星系群中运动，本地星系群也在运动，根据微波辐射的红移我们发现，地球相对于CMB的运动速度是627±22千米/秒。这也是我们相对于宇宙空间的运动速度。

相对论告诉我们，宇宙中没有一个绝对通用的静止参考系，但是大爆炸还是给了我们一个微波背景辐射。就算宇宙在膨胀，但微波辐射背景相对于空间也是静止的。在宇宙中，每一个星系都有一个“特殊速度”，也就是因为空间膨胀带来的速度，但是星系相对于本地的空间和微波辐射并没有因为膨胀而运动。

而相对于本地空间的运动，才是我们在宇宙中的真实运动。