支配宇宙的方程

宇宙的历史，是一部膨胀史

第一个弗里德曼方程。

与今天相比，100年前的人们对宇宙的认识是非常有限的。1922年，人们认为宇宙是静态的、永恒不变的。那个时候，天文学家还没有观测到任何线索表明银河系之外原来还有那么多不同形状、不同大小的星系，他们也没有发现宇宙中存在着像脉冲星、白矮星这样的奇异天体，他们更不会想象到宇宙甚至有一个开端。

然而，也正是在那一年，年轻的弗里德曼（Alexander Friedmann，1888-1925）在研究了爱因斯坦（Albert Einstein）的广义相对论，并假设宇宙是各向同性（所有方向都一样）和均匀（所有地方都一样）的之后，推导出了在宇宙学领域无人不知的弗里德曼方程。最令人惊奇的是，弗里德曼得到的解意味着宇宙可以膨胀、收缩、坍缩，甚至有一个开端，而非像当时爱因斯坦和其他大多数科学家所认为的那样是静态的。

在弗里德曼推导出的两个方程中，第一个更为重要。方程的一边告诉我们宇宙的构造会如何随时间膨胀或收缩。方程的另一边包含了所有的物质、辐射和其他任何组成宇宙的能量形式，也包含了空间的固有曲率（不同的曲率对应宇宙不同的形状），甚至包含了爱因斯坦曾为了保持静态宇宙在方程中引入的宇宙学常数（用“Λ”表示）。

尽管弗里德曼的生命是短暂的，但在一个世纪后，他书写下的方程仍然支配着宇宙的膨胀史，并已被扩展到一个包含暴胀、暗物质、中微子和暗能量的宇宙。

宇宙中的“守卫者”

米尔格罗姆提出对牛顿动力学的修正。

当我们想象星系的画面时，脑海中会浮现出旋涡、椭圆等形状的绚丽结构。天文学家在观测星系的自转时，意外地在星系的边缘发现了匪夷所思的现象：那里的天体运动得太快了！

已知的引力定律告诉我们，距离星系中心越远的天体，受到的引力就越小，其绕行速度也会越慢。但观测却告诉我们，星系外侧的天体的运动速度与理论预期的不符，这就意味着有未知的东西等待被发现。这有两种可能性：要么我们对引力的理解需要被修正，要么在宇宙中存在着我们大量看不见的物质产生了额外的引力，否则星系将会分崩离析。

尽管很多人热烈地拥抱宇宙中存在暗物质的可能性，但也有少数理论学家选择了在不同的道路上探索。上世纪80年代，米尔格罗姆（MordehAI Milgrom）提出了“修改的牛顿动力学”（MOND理论），他发现如果我们将牛顿引力中的加速度稍微改变一点点，就可以解释不同大小和不同年龄的星系的自转速度。

虽然基于MOND发展出来的理论可以解释星系的自转问题，但一直以来，这些理论都无法解释宇宙微波背景（这是宇宙大爆炸最关键的观测证据），以至于它在很长的一段时间内都没有得到足够多的重视。直到去年，两名理论物理学家提出的一种新的MOND模型，终于克服了这一主要障碍。

我们无法确认究竟是暗物质还是MOND理论在默默地守护着星系，但可以肯定的是，如果暗物质探测持续一无所获，那么将会有越来越多人开始关注MOND理论。

宇宙中的先进文明

德雷克方程的“考古形式”。

在浩瀚的宇宙中，人类是孤独的吗？

1961年，天体物理学家弗兰克·德雷克（Frank Drake）提出了一个著名的方程来估算银河系中可能存在的先进文明的数量。随着空间技术的进步，科学家已经对方程中的一些变量有了更好的认识。但对于像先进文明的预期存在的时间这样的变量，除了猜测，我们无法再做什么。

2016年，亚当·弗兰克（Adam Frank）和伍德拉夫·沙利文（Woodruff Sullivan）提出了一个新的等式来解决稍微不同的问题：在可观测宇宙的历史中，可能发展成先进文明的数量是多少？

在新的方程中，A被定义为“在可观测宇宙的历史上曾形成的科技物种的数量。”在方程的右边，N代表的是宇宙中给定体积内（可以是银河系或是整个宇宙）宜居行星的数量，f则表示在这些行星中发展出先进文明的概率。

宇宙中最奇异的天体

霍金温度公式。

黑洞是宇宙中最神秘的天体。最简单的一种黑洞形式也被称为施瓦西黑洞，在爱因斯坦刚提出广义相对论的不久后，施瓦西（Karl Schwarzschild）就找到了爱因斯坦场方程的第一个解。施瓦西找到的解对应的是一个只有质量，没有电荷和自旋的黑洞。

由于黑洞拥有极强的引力，以至于任何进入到黑洞的东西都无法逃脱。霍金（Stephen Hawking）等人曾认为黑洞不会辐射，但如果是这样，那么被视为铁律的热力学第二定律就会被违反。1974年，基于广义相对论和量子场论，霍金重新研究了黑洞周围的弯曲空间后发现，黑洞具有温度，所以也会辐射。霍金辐射从未被探测到，这是因为一个典型黑洞的温度非常小。例如，一个太阳质量的黑洞的霍金温度约为0.00000006开尔文。

在著名的黑洞温度公式中，我们可以看到公式中包含万有引力常数、普朗克常数、光速和玻尔兹曼常数。也就是说，这一公式把量子理论、广义相对论和热力学全都联系在了一起。

宇宙隧道

新“爱因斯坦”方程。

仅从这个方程看，也许你会认为这个方程的成立应当要求P=1，但事实并非如此。因为这个方程实际上连接的是爱因斯坦在1935年发表的两篇具有里程碑意义的论文。

E、P、R这三个字母代表的分别是三位物理学家：爱因斯坦（Einstein）、罗森（Rosen）和波多尔斯基（Podolsky）。方程左边的ER代表的是虫洞（又被称为爱因斯坦-罗森桥），它可以为两个相距非常遥远的时空区域创建一条时空隧道。方程的右边代表的是爱因斯坦、波多尔斯基和罗森在另一篇论文中提出的量子纠缠：当两个粒子处于纠缠时，对其中一个粒子的状态进行测量就能立即知道另一个粒子的状态，无论它们相距多么遥远。

2013年，马尔达西那（Juan Maldacena）和苏士侃（Leonard Susskind）提出，虫洞和量子纠缠之间的联系并不只是体现在它们是在同一年提出的，实际上它们本质上是相同的。任何两个通过纠缠连接在一起的粒子，它们实际上就是通过虫洞连接在一起的，反之亦然。这就意味着，也许量子力学和引力之间的联系要比我们想象的更加紧密。

#创作团队：

撰文：Zwicky

设计：雯雯

#参考来源：

https://arxiv.org/pdf/1302.1498.pdf

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.161302

#图片来源：

封面图：Pixabay

首图：Pixabay

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