茶話時間：史上各位大神的宇宙模型（二）

——《宇宙之書》讀書筆記三，弗里德曼、愛丁頓和勒梅特的宇宙

文：貝貝

工作學習了一天，你是否有些疲憊了？那就泡杯熱茶，咱們閑聊一會，貝貝繼續為您帶來《宇宙之書》的讀書筆記，一同分享科學大神精彩的思想世界。

上一篇提到的華萊士的宇宙觀，突破了當時人類的思維局限，尤其是從生命誕生的角度，進行了很多思考，其中的一些理論，確實與現在觀察到的一些現象相符。愛因斯坦偉大的廣義相對論方程，充滿了各種各樣的可能性，方程組的每一個解都表示一個可能的宇宙。於是，從此開始，很多天文學家開始通過解方程，描述他們的宇宙。最初，愛因斯坦認為宇宙是靜態的，不會膨脹，也不會收縮，為了符合這個結果，他加入了宇宙學常數。緊隨其後，德希特又得出了一個新的解，描述了一個動而空的宇宙（動：膨脹，空：物質密度等於0）。

接下來，我們看看書中介紹的更多的其他宇宙模型。

一、弗里德曼的宇宙

很多研究宇宙學的大神，並非天文學出生，例如愛因斯坦是位物理學家。接下來出場的弗里德曼，一開始只是個名不見經傳的年輕數學家、氣象學家。當然，他此前是物理系的學生。畢業後去了氣象觀測站，一戰期間研究彈道學。後來愛上了高空氣球飛行，曾經最高飛到7400米。可惜年僅37歲就死於斑疹傷寒，實在可惜。（註：詳見書P68-69）

弗里德曼以數學家的眼光研究了愛因斯坦的方程組，並找到了2個新的解。

第一個解，是一個有限「閉合」的宇宙，宇宙的質量、體積和壽命都是有限的，始於一個後來被稱為大爆炸的過程，最後在極端大塌縮的過程中收縮到一個終點。這個宇宙先膨脹，後收縮，包含著普通的無壓強物質。在時間上向前和向後延拓這個解，就會獲得一個振蕩宇宙，周期性膨脹和收縮，從一點開始膨脹，再收縮回一點，然後再膨脹，再收縮，如此無窮地繼續下去。（註：詳見書P70-71）

第二個解，是一個無限的宇宙。有著開放的空間，負的曲率，會從無限的過去開始膨脹，直到無限的未來。

弗里德曼的解在當時並沒有受到重視，甚至一開始還被愛因斯坦認為有關鍵性的計算錯誤，但後來愛因斯坦還是承認了他的計算是正確的。弗里德曼的研究，在史上第一次發現了愛因斯坦的方程組允許膨脹或收縮的宇宙包含普通的物質，告訴了後來人，你們可以發現更多的可能性。（註：詳見書P72）

二、愛丁頓—勒梅特的宇宙

愛丁頓是20世紀初最有造詣的天體物理學家，他第一次向英語世界介紹了愛因斯坦的廣義相對論，1923年出版了《相對論的數學理論》，愛因斯坦認為這本書「在所有語言中是表達這個主題最好的版本」。他一生寫了大量科學專著及通俗讀物，其中一些相當流行，例如《膨脹中的宇宙》一版再版，這樣的科學家對大眾來說真是一種福音。

勒梅特是愛丁頓的學生，他離開劍橋後，前往哈佛讀博，由於勒梅特的天才和數學能力，愛丁頓向其他科學家強烈推薦這個人才。

1927年，勒梅特第一次將愛因斯坦方程組的膨脹宇宙解，和遙遠的星光由於多普勒效應而產生紅移的計算結合起來。（註：見書P74）他證明，愛因斯坦的靜態宇宙不穩定，如果宇宙開始於一個靜止的狀態（不膨脹也不收縮），那麼其中的任何擾動或運動都會把它帶入一個逐步升級的膨脹或收縮的狀態。（註：見書P75）

1930年，愛丁頓也證明了愛因斯坦的靜態宇宙在微小擾動下會不穩定。他採用的方法是向方程的解中引入微小的密度不均勻，發現所有不均勻性會隨時間長大。（註：見書P75）

愛丁頓和勒梅特通過不同方法研究愛因斯坦宇宙的不穩定性，並且在此過程中，得到了一個較為相似的宇宙模型，被稱為愛丁頓—勒梅特宇宙。

這個宇宙始於無限過去的一個靜止狀態，在無限遠的過去，宇宙的狀態接近完全的熱平衡，雖然幾何年齡很大，但熱力學年齡很小。後來宇宙逐漸膨脹，直到過去的某個有限時刻，膨脹的過程才變得明顯起來。然後繼續膨脹，它的曲率為正，將永遠膨脹下去。（註：見書P78）

三、勒梅特的宇宙

勒梅特在1927年的研究中，還發現了一個新的宇宙模型。

這個模型，有個有限的過去，從一個熾熱的開端開始膨脹，先減速膨脹，等到宇宙學常數的排斥力佔了主導，其積累效應超過引力效應之後，逐漸變成加速膨脹，最後一直加速下去，走向德希特的指數膨脹宇宙。它的空間曲率為正，宇宙學常數為正，這個常數的數值選擇的比愛因斯坦的靜態宇宙的數值要大一些，因而宇宙永遠在膨脹。（註：詳見書P80）

在貝貝的《尋找下落不明的暗物質，以及謎一樣的暗能量》一文中，提到了天文學家通過對超新星的觀測得出宇宙學常數等於0.7的值；其後，又通過哈勃望遠鏡對更加古老的超新星的觀測，在2003年提出宇宙膨脹的逆轉時間——大約是50億年以前，也就是說，在50億年前，宇宙的膨脹是減速的。結合當前最流行的關於宇宙開端的大爆炸理論，大概可以這樣說，到目前為止，勒梅特的宇宙可能是與現實宇宙最接近的描述。

你是否也有自己心中的宇宙呢？歡迎一起分享哦！

未完待續……

轉載請註明作者和出處，謝謝合作！