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物理学 1922

论空间的曲率

亚历山大·弗里德曼

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。

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In depth · the introduction

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。

一张宇宙大小随时间变化的图。一个滑块设定宇宙含有多少物质;低设定给出一条永远上升的线,高设定给出一条升到顶峰再落回零的线,落点标着大坍缩,一个圆点标出今天。

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 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