上周,在加拿大圆周理论物理研究所的一次活动中,邀请了14位科学家选出他们心中最喜爱的公式。其中天体物理学家Ethan Siegel选出的方程对宇宙学研究极其重要,却并不那么广为人知,它就是弗里德曼方程,是在特定条件下从爱因斯坦的广义相对论中推导而得的。
1915年11月,爱因斯坦向柏林普鲁士科学院提交了一篇颠覆牛顿思想的论文,这篇论文的内容正是耗费了他十多年的心血所思考出的新引力理论:广义相对论,将弯曲的时空和宇宙中的物质和能量连接在一起。爱因斯坦的理论重现了所有牛顿引力理论的所有成功,也解释了牛顿理论无法解决的水星进动问题,同时做出了一系列可检验的新预言。但唯一的问题是,当爱因斯坦将他的新理论应用在整个宇宙的时候,却遇到了麻烦。
为了防止这种情况发生,爱因斯坦在他的方程中加入一个所谓的宇宙学常数。1922年,年轻的弗里德曼在专研了爱因斯坦理论背后晦涩难懂的数学后,找到了一个优美的方式来解救我们的宇宙,同时也不需要宇宙学常数,那就是不要假设宇宙是静止的!弗里德曼认为正如我们所观测到的,宇宙中充满了物质和辐射,并且是会弯曲的。基于这些,就可以从广义相对论的核心方程——爱因斯坦场方程中推导出两个方程:弗里德曼方程。
这两个方程让我们知道,宇宙并不静止,而是膨胀或者收缩。值得一提的是,在弗里德曼提出这个思想之前,我们还未曾发现宇宙正在膨胀,我们甚至还不能确定银河系之外是否存在着其它星系。而随着我们对宇宙更深入的理解,就会发现弗里德曼留下的科学遗产有多么的重要。在弗里德曼方程中,第一个是最重要的,它和观测有着最简单直接的联系。方程的一边相当于宇宙的膨胀率,或者更常被称之为哈勃常数。
方程的另一边包含了所有的物质、辐射和其它任何组成宇宙的能量形式。尽管弗里德曼的生命是短暂的,但他留下的工作却有着深远的意义。他是第一个从广义相对论中推导出描述我们的宇宙——一个充满物质的膨胀宇宙——的解的人。后来,伽莫夫将弗里德曼的工作应用到不断膨胀的宇宙中,提出了描述宇宙起源的大爆炸理论。
在他最著名的作品发表后近一个世纪之后,弗里德曼方程已被扩展到了一个包含暴胀起源、暗物质、中微子和暗能量的宇宙。即便如此,这两个方程仍然完全有效,不需对其进行增加或修改就能解释这些巨大的进步。