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从爱因斯坦场方程推导出来的弗里德曼方程能告诉我们什么

科学探索万象经验2023-05-08

让我们先把目光停留在等号的左边,事实上它是一个能量方程。左边第一项类似于膨胀的动能,但这种动能被左边第二项能量的引力效应所**,其中ρ是宇宙的物质密度。所以第二项代表了宇宙自身减速的能力,类似于引力势能。这两个类似能量的术语之间的平衡将告诉我们宇宙的命运,它有几种可能性。

如果膨胀的动能和坍缩的势能完全平衡,那么宇宙将会停止膨胀并不会缩小。在这种情况下,等式的左边刚好等于。但如果等式的结果是大于零,也就是说膨胀的动能大于势能,宇宙将永远膨胀下去。最后一种可能性是小于零,宇宙将先膨胀后缩小。那么,答案是什么?宇宙会永远膨胀还是会回缩?

很长一段时间,科学家认为宇宙最终的命运在于宇宙的密度ρ。所以几十年来,天文学家一直在努力测量宇宙大范围内物质和暗物质的质量总和。事实证明,宇宙的密度太低了,只有扭转膨胀所需密度的四分之一。因此,弗里德曼方程的左边项是正的,宇宙将永远膨胀。

等式右边项描述了空间的曲率,它取决于k值,k在某种意义上是宇宙的形状,k可以是 1、-1或0。
(www.wS46.com)

宇宙微波背景辐射可以让我们检验宇宙的形状。对其上特征大小的观察使我们能够验证宇宙中最大三角形的角度,加起来刚好等于180度。这是一个平坦的欧几里得宇宙的直线几何,平坦到0.4%以内。因此方程的右侧必须非常接近于零,而左侧却是严格地大于零,显然两者之间不匹配。

宇宙常数

“宇宙学常数”这个表达是一个线索。随着宇宙的膨胀,常规物质和能量被稀释掉。但宇宙学常数所描述的事物并不会这样,它的密度保持不变,所以宇宙越大,这种能量就越多。我们称它为暗能量,并将其解释为真空本身所拥有的能量。