最近,加拿大圆周理论物理研究所的一次活动邀请了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选出来的这个方程对宇宙学研究极其重要,却并不那么广为人知,它就是第一个弗里德曼方程,一个可能让我们推测出宇宙历史与命运的方程。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。
当时,爱因斯坦认为宇宙是静态的,但是广义相对论却预示着静态的时空是不稳定的,这意味着宇宙可以在引力的作用下发生坍缩。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。到了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。
这两个方程让我们知道,宇宙并不静止,而是膨胀或者收缩的(取决于宇宙的膨胀率和成分)。更重要的是,它们还能告诉我们宇宙在过去或者将来将如何随时间而演化。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。但在不久后,哈勃基于勒维特在造父变星的工作,成功测量了仙女座中造父变星的距离,从而推断银河系之外还有许多星系。
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。它告诉我们的是宇宙的构造会如何随着时间膨胀或收缩。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。
方程中也包含了空间固有的曲率,取决于宇宙是闭合的(正曲率)、开放的(负曲率),或平坦的(零曲率)。
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。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。一个始于大爆炸的、且不断膨胀的宇宙图景已经获得了许多科学证据的支持。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。
有了它,我们只要通过测量今天宇宙的物质和能量,以及宇宙的膨胀率,就可以推测出宇宙的历史和命运。就宇宙的结构而言,这个方程或许是宇宙中最重要的方程,没有之一。