论空间的曲率
宇宙不必静止:爱因斯坦自己的方程允许空间膨胀——或膨胀之后再落回。
爱因斯坦曾悄悄假定,宇宙就那么待着,永远是同一个样子。一个年轻的俄国人打开同一组方程,却发现它们说出了远为离奇的事——整个宇宙,可以生长。
核心想法
爱因斯坦完成广义相对论后,把它用到整个宇宙上,得到一个他不喜欢的答案:宇宙想动。为了让它静止——当时所有人都假定它必然如此——他加进一个凑数的项,「宇宙学常数」,调好后把空间冻住。彼得格勒的数学家兼气象学家亚历山大·弗里德曼,只是问了一句:要是我们不强迫它静止呢?
在不加那条假设的情况下解方程,他得到的不是一个宇宙,而是一族——它们全都随时间变化。有的永远膨胀。有一个则膨胀、减速、停下,再落回到一起——他称之为「周期性世界」。一个宇宙会迎来哪种命运,取决于唯一的一件事:它含有多少物质。塞进足够多,引力终将逆转膨胀;太少,它便无尽地生长。
它是如何诞生的
弗里德曼并不是一个追着星空跑的天文学家;他是一位出色的应用数学家,在第一次世界大战里飞过侦察、算过轰炸表。读到崭新的相对论,他看见了别人错过的一种自由,并在 1922 年发表了他那些膨胀的解。
反响先是令人难堪,继而令人扬眉。爱因斯坦本人读了这篇论文,并予以否定,发表一则短札说弗里德曼算错了。弗里德曼回了信,把计算一行一行摊开。一年后,爱因斯坦发表了一则收回前言:他承认,错的是他自己,弗里德曼的结果是正确的。令人扼腕的是,弗里德曼于 1925 年死于伤寒,年仅三十七岁——比埃德温·哈勃透过望远镜看见遥远的星系当真彼此飞散,早了四年;而那,正是弗里德曼在纸上求得的那个运动的宇宙。
它为何重要
这是宇宙获得历史的那一刻。在弗里德曼之前,「宇宙」意味着一座固定、永恒的舞台。在他之后,它成了一件有过去、也有未来的东西——可以有一个开端,此刻正在变化,并将以为数不多的几种确定方式终结。把任何一个膨胀解倒带,一切都向单独的一个瞬间奔聚而去:那便是大爆炸的种子。现代关于宇宙历史的每一幅图景——那个开端的余晖、最初元素的锻造、亿万年后的命运——都是从弗里德曼写下的方程里读出来的。
一个可以想象的画面
把一个球直直地向上抛。它会不会落回来,完全取决于你抛得多快、对上引力有多强。轻轻一抛,它上升、停住、再落下——那就是「周期性」宇宙,膨胀被逆转成了坍缩。以逃逸速度或更快抛出,它便一去不返——那就是一个永远膨胀的宇宙。宇宙中物质的多少,扮演着引力强度的角色,决定了你抛出的是哪一种。在下面的工具里,拨动密度,看宇宙的一生把自己描画出来——要么永远攀升而去,要么划一道弧、再坠回原处。
它的位置
弗里德曼方程,径直从爱因斯坦 1915 年的广义相对论中生长出来,却把它那幅宇宙图景颠倒了过来。五年之后,乔治·勒梅特独立地重新发现了膨胀解,并补上了「原初原子」的物理想法——宇宙诞生自单独一个致密的点。埃德温·哈勃 1929 年的测量(见本馆)补齐了缺失的证据。他们的名字,一同活在整个宇宙学至今仍在使用的 FLRW 模型里;而这条线索,继续通向奥本海默与斯奈德坍缩的恒星(1939),以及如今主宰宇宙未来的暗能量。
The radius of curvature varies between 0 and x₀. We shall call this universe the periodic world.