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物理學 1922

論空間的曲率

亞歷山大·弗里德曼

宇宙不必靜止:愛因斯坦自己的方程允許空間膨脹——或膨脹之後再落回。

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In depth · the introduction

愛因斯坦曾悄悄假定,宇宙就那麼待著,永遠是同一個樣子。一個年輕的俄國人打開同一組方程,卻發現牠們說出了遠為離奇的事——整個宇宙,可以生長。

核心想法

愛因斯坦完成廣義相對論後,把牠用到整個宇宙上,得到一個他不喜歡的答案:宇宙想動。為了讓牠靜止——當時所有人都假定牠必然如此——他加進一個湊數的項,「宇宙學常數」,調好後把空間凍住。彼得格勒的數學家兼氣象學家亞歷山大·弗里德曼,只是問了一句:要是我們不強迫牠靜止呢?

在不加那條假設的情況下解方程,他得到的不是一個宇宙,而是一族——牠們全都隨時間變化。有的永遠膨脹。有一個則膨脹、減速、停下,再落回到一起——他稱之為「週期性世界」。一個宇宙會迎來哪種命運,取決於唯一的一件事:牠含有多少物質。塞進足夠多,重力終將逆轉膨脹;太少,牠便無盡地生長。

牠是如何誕生的

弗里德曼並不是一個追著星空跑的天文學家;他是一位出色的應用數學家,在第一次世界大戰裡飛過偵察、算過轟炸表。讀到嶄新的相對論,他看見了別人錯過的一種自由,並在 1922 年發表了他那些膨脹的解。

反響先是令人難堪,繼而令人揚眉。愛因斯坦本人讀了這篇論文,並予以否定,發表一則短札說弗里德曼算錯了。弗里德曼回了信,把計算一行一行攤開。一年後,愛因斯坦發表了一則收回前言:他承認,錯的是他自己,弗里德曼的結果是正確的。令人扼腕的是,弗里德曼於 1925 年死於傷寒,年僅三十七歲——比埃德溫·哈伯透過望遠鏡看見遙遠的星系當真彼此飛散,早了四年;而那,正是弗里德曼在紙上求得的那個運動的宇宙。

牠為何重要

這是宇宙獲得歷史的那一刻。在弗里德曼之前,「宇宙」意味著一座固定、永恆的舞台。在他之後,牠成了一件有過去、也有未來的東西——可以有一個開端,此刻正在變化,並將以為數不多的幾種確定方式終結。把任何一個膨脹解倒帶,一切都向單獨的一個瞬間奔聚而去:那便是大霹靂的種子。現代關於宇宙歷史的每一幅圖景——那個開端的餘暉、最初元素的鍛造、億萬年後的命運——都是從弗里德曼寫下的方程裡讀出來的。

一個可以想像的畫面

把一個球直直地向上拋。牠會不會落回來,完全取決於你拋得多快、對上重力有多強。輕輕一拋,牠上升、停住、再落下——那就是「週期性」宇宙,膨脹被逆轉成了坍縮。以逃逸速度或更快拋出,牠便一去不返——那就是一個永遠膨脹的宇宙。宇宙中物質的多少,扮演著重力強度的角色,決定了你拋出的是哪一種。在下面的工具裡,撥動密度,看宇宙的一生把自己描畫出來——要麼永遠攀升而去,要麼劃一道弧、再墜回原處。

一張宇宙大小隨時間變化的圖。一個滑桿設定宇宙含有多少物質;低設定給出一條永遠上升的線,高設定給出一條升到頂峰再落回零的線,落點標著大坍縮,一個圓點標出今天。

牠的位置

弗里德曼方程,徑直從愛因斯坦 1915 年的廣義相對論中生長出來,卻把牠那幅宇宙圖景顛倒了過來。五年之後,喬治·勒梅特獨立地重新發現了膨脹解,並補上了「原初原子」的物理想法——宇宙誕生自單獨一個緻密的點。埃德溫·哈伯 1929 年的測量(見本館)補齊了缺失的證據。他們的名字,一同活在整個宇宙學至今仍在使用的 FLRW 模型裡;而這條線索,繼續通向奧本海默與斯奈德坍縮的恆星(1939),以及如今主宰宇宙未來的暗能量。

The original document
Original source text
A. Friedmann · Zeitschrift für Physik 10, 377–386 (1922) · received 29 June 1922
The starting assumptions
Friedmann takes Einstein's field equations of general relativity and asks for cosmological solutions under two simple postulates: that matter is, on the large scale, uniform and at rest (a pressureless ‘dust’), and that space has the same constant curvature everywhere — homogeneous and isotropic. Crucially, he does NOT assume the universe is static. Where Einstein and de Sitter had each found one unchanging model, Friedmann lets the radius of curvature of space be a function of time, R(t), and solves for how it must evolve.
Three kinds of world
The equations admit a whole family of non-static universes, which Friedmann sorts into types. In the ‘monotonic’ worlds the radius of curvature grows without bound — the universe expands forever, in one case starting from zero size. In another solution the radius oscillates: space swells to a maximum and then contracts again.
The radius of curvature varies between 0 and x₀. We shall call this universe the periodic world.
What he could and could not yet say
Friedmann computed the period of such an oscillating world and noted that the cosmological constant Λ could be positive, negative, or zero, giving different histories. He made no claim that the real universe is one of these models — he had no data on cosmic expansion; he established only that Einstein's equations permit a universe that moves. Observational confirmation (Hubble's redshift–distance law) and the physical ‘primeval atom’ reading came later, from others.
[ … ]
The full derivation — the field equations under the symmetry assumptions, the classification of solutions, and the period of the periodic world — is at the source below, in the German original and in English translation.
Petrograd · received June 29, 1922 · Zeitschrift für Physik