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兩個方程式就可以破解宇宙膨脹之謎?這個俄羅斯人做到了

2024-11-05科學

來源:科技眼

100年前的這幾天,俄羅斯物理學家亞歷山大.弗雷德曼將他的論文〈關於空間的曲率〉送交【物理學期刊】,而這篇論文將成為日後宇宙學的重要基礎。也讓這兩個方程式,成為宇宙演化的最重要公式!

為什麽這個方程式如此重要和正確呢?

眾所周知,我們現在觀察到的宇宙,其邊界大約有960多億光年,如此浩大的時空中,有無數的星系零星地填充於其中。而地球也只是太陽系的一顆普通行星,太陽系也只是銀河系的一顆普通恒星。

那我們所觀察到的恒星、星系等是怎麽產生的呢?

當前的主流觀點是:宇宙誕生自138億年前一場名為大爆炸的事件。大爆炸理論認為,我們現在的宇宙,起源於一個極小、溫度極高、密度極大的一團致密物質。但不知什麽原因,突然爆炸,然後就從此誕生和開始了我們所在的宇宙的演變。

而自宇宙大爆炸之後,宇宙就開始逐漸膨脹。慢慢形成了恒星、星系、以及更大尺度結構等各式各樣的天體。

不過,「逐漸膨脹」這四個字看似簡單,背後可是有大學問。想要形成星系等結構,物質就必須要在重力的吸引下塌縮。而宇宙的膨脹則會把物質拉開,阻止它們聚在一起。因此宇宙膨脹的歷史,自然也決定了宇宙中有多少星系的形成。

那麽,我們如何知道宇宙「應該」要怎麽膨脹呢?

其實在愛因斯坦和弗雷德曼所處的那個時代,也就是我們的民國初期,當時人們認為宇宙是靜態不變的。包括愛因斯坦自己也這樣認為。他甚至在他的廣義相對論中專門增加了一個宇宙常數,以便修正廣義相對論,讓其得出的時空是穩定而靜態的。

直到1922年,俄羅斯物理學家弗列特曼嘗試將廣義相對論與宇宙學原理相結合,推匯出了兩個方程式式描述宇宙的膨脹速度(第一條)和加速度(第二條),並且無需引入宇宙常數。這兩個方程式告訴我們,宇宙並不是靜態的,而且應當正在膨脹,且膨脹的方式跟宇宙裏頭的物質密度,空間的曲率,以及物質的特性有關。這個方程式同時可以揭示我們宇宙是如何隨著時間推移而演化的,這個時間可以任意地延伸到未來或過去。

不過,弗列特曼的這篇論文剛發表時,並不受主流的物理界肯定,愛因斯坦甚至還專門發了一篇文章批評他。但最後,弗列特曼成功地說服了愛因斯坦,相信了他的理論在物理及數學上的正確性,且日後(1929年)果然被著名的天文學家哈伯對宇宙的觀測所證實。

這兩個方程式,於是成為現代宇宙學的基礎,並被冠以「弗列特曼方程式」之名。

弗列特曼方程式所基於的假設是宇宙在空間上是均一且各向同性的;目前顯示,這個假設在大於一億秒差距的尺度上是合理的。

簡單來說,弗列特曼方程式是一個有關膨脹宇宙的模型,目前為止也最符合實際觀測結果。隨著我們對宇宙學的了解越來越多,弗列特曼方程式也變得更加重要。

最後,我把這個方程式的推導分享給你們。。。[微笑]

你學會了麽?