尽管爱因斯坦的理论成功地解释了天文现象,如星光绕过太阳的弯曲和水星轨道的轻微晃动,但它的宇宙学预测仍然是模糊不清的。俄罗斯的物理学家亚历山大·弗里德曼很好地澄清了问题,他发现爱因斯坦方程最全面和最真实的解。
一直到今天,广义相对论的每一个研究生教程都还在讲解这些内容。
通常,爱因斯坦理论包括一系列极其困难的方程要用计算机才能解。然而弗里德曼假定宇宙是动态的,并作了两个被称为宇宙学原则的简化假定:字宙是各向同性的(即从给定点无论向哪个方向看都是相同的,和宇宙是均匀的即在宇宙中无论你走到哪儿都是均匀的)。在这两个简化假定之下,这些方程被解出来了,最显著的是弗里德曼的解只取决于三个参数:
1.H,决定宇宙膨胀的速率。(今天,这个参数叫做哈勃常数)
2.欧米伽值,(宇宙物质的平均密度。)
3.拉姆达值,与真空有关的能量或暗能量。
这三个常数之间的关系决定了整个宇宙将来的演化。
例如,因为引力吸引,字宙密度欧米伽值起到刹车的作用以减慢宇宙膨胀,逆转大爆炸膨胀速率的某些影响。想象将一块石块扔向天空。通常,引力很强,足以逆转石块的运动方向,使它跌回到地面。然而,如果将石块扔出的速度特别快,它就能逃出地球的引力,永远欧米伽值,其作用类似刹车,减慢宇宙的膨胀,就好像地球引力对石块的刹车作用一样。我们暂且假定与真空的空间有关的能量拉姆达值(A)等于零,用宇宙密度值来除以宇宙临界密度。
如果欧米伽值小于1,科学家得出结论:宇宙中没有足够的物质逆转大爆炸产生的原始膨胀。结果宇宙将永远膨胀,陷入大冻结状态,直到温度接近绝对零度。
如果欧米伽值大于1,宇宙物质充分,宇宙引力最终将逆转宇宙膨胀。结果宇宙膨胀将停止,然后收缩。(好比扔向天空的石块,如果地球的质量太大,石块将最终达到一个最大高度,然后跌落到地面。)当恒星和星系跑到一起时温度开始上升。(给自行车胎打过气的人都知道气体压缩产生热。压缩空气所做得如此之高,一切生命都将灭绝,因为宇宙陷人了一片火海。
第三种可能是欧米伽值精确地停留在1。换句话说,宇宙密度等于临界密度。在这种情况下,宇宙盘旋在两个极端之间,但仍将水远膨胀。
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