論空間的曲率
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。
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。
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 radius of curvature varies between 0 and x₀. We shall call this universe the periodic world.