100年后,物理学家终于找到宇宙学运动方程的解析解

作者: 董唯元

来源: 返朴

发布日期: 2022-12-29 08:00:02

物理学家在弗里德曼方程提出100年后,终于找到了其解析解,这一发现有助于更深入理解宇宙的运动和演化,特别是宇宙的均匀膨胀特性。

100年后,物理学家终于找到宇宙学运动方程的解析解。弗里德曼方程由苏联物理学家弗里德曼于1922年提出,至今依然是理解宇宙运动和演化的核心方程,描述我们所处在一个均匀且各向同性的膨胀宇宙。如今,物理学家终于找到方程的解析解,并根据新的理论,我们所处宇宙正如所观察的那样“平”,并不特殊。

当我们在太阳系里发现个陌生的天体,只要记录一小段运行轨道,就可以判断出这个天体到底是系内小行星还是系外过客。天文学家是如何做到窥一斑而知全豹的呢?其实就是靠我们中学时候学过的离心率e。我们知道在引力作用下,天体的轨道是条圆锥曲线。

类似地,我们在描述宇宙整体演化的时候,也需要些指示性的参数。其中最基础也最重要的就是标度因子a,它代表随宇宙同步膨胀/收缩的坐标系中,坐标距离与实际物理距离的比例关系。所谓宇宙在膨胀,就是指a在变大。

翻开任何一本宇宙学的教科书,开篇就会提到两个方程。这就是弗里德曼第一方程和第二方程。1922年,前苏联物理学家弗里德曼从广义相对论方程推导出了这组方程。时至今日整整100年已经过去,它仍然是研究宇宙演化规律的理论核心。

说来有些奇怪,弗里德曼方程诞生100年来,宇宙学家们已经反复研究了它的各种特殊解,但是最一般性的解析解却是直到2022年10月才刚刚被解出,论文作者是加拿大圆周理论物理研究所的Latham Boyle和苏格兰爱丁堡大学希格斯理论物理中心的Neil Turok。

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