宇宙的歷史，是一部膨脹史
第一個弗里德曼方程。
與今天相比，100年前的人們對宇宙的認(rèn)識是非常有限的。1922年，人們認(rèn)為宇宙是靜態(tài)的、永恒不變的。那個時候，天文學(xué)家還沒有觀測到任何線索表明銀河系之外原來還有那么多不同形狀、不同大小的星系，他們也沒有發(fā)現(xiàn)宇宙中存在著像脈沖星、白矮星這樣的奇異天體，他們更不會想象到宇宙甚至有一個開端。
然而，也正是在那一年，年輕的弗里德曼（Alexander Friedmann，1888-1925）在研究了愛因斯坦（Albert Einstein）的廣義相對論，并假設(shè)宇宙是各向同性（所有方向都一樣）和均勻（所有地方都一樣）的之后，推導(dǎo)出了在宇宙學(xué)領(lǐng)域無人不知的弗里德曼方程。最令人驚奇的是，弗里德曼得到的解意味著宇宙可以膨脹、收縮、坍縮，甚至有一個開端，而非像當(dāng)時愛因斯坦和其他大多數(shù)科學(xué)家所認(rèn)為的那樣是靜態(tài)的。
在弗里德曼推導(dǎo)出的兩個方程中，第一個更為重要。方程的一邊告訴我們宇宙的構(gòu)造會如何隨時間膨脹或收縮。方程的另一邊包含了所有的物質(zhì)、輻射和其他任何組成宇宙的能量形式，也包含了空間的固有曲率（不同的曲率對應(yīng)宇宙不同的形狀），甚至包含了愛因斯坦曾為了保持靜態(tài)宇宙在方程中引入的宇宙學(xué)常數(shù)（用“Λ”表示）。
盡管弗里德曼的生命是短暫的，但在一個世紀(jì)后，他書寫下的方程仍然支配著宇宙的膨脹史，并已被擴(kuò)展到一個包含暴脹、暗物質(zhì)、中微子和暗能量的宇宙。
宇宙中的“守衛(wèi)者”
米爾格羅姆提出對牛頓動力學(xué)的修正。
當(dāng)我們想象星系的畫面時，腦海中會浮現(xiàn)出旋渦、橢圓等形狀的絢麗結(jié)構(gòu)。天文學(xué)家在觀測星系的自轉(zhuǎn)時，意外地在星系的邊緣發(fā)現(xiàn)了匪夷所思的現(xiàn)象：那里的天體運動得太快了！
已知的引力定律告訴我們，距離星系中心越遠(yuǎn)的天體，受到的引力就越小，其繞行速度也會越慢。但觀測卻告訴我們，星系外側(cè)的天體的運動速度與理論預(yù)期的不符，這就意味著有未知的東西等待被發(fā)現(xiàn)。這有兩種可能性：要么我們對引力的理解需要被修正，要么在宇宙中存在著我們大量看不見的物質(zhì)產(chǎn)生了額外的引力，否則星系將會分崩離析。
盡管很多人熱烈地?fù)肀в钪嬷写嬖?strong>暗物質(zhì)的可能性，但也有少數(shù)理論學(xué)家選擇了在不同的道路上探索。上世紀(jì)80年代，米爾格羅姆（Mordehai Milgrom）提出了“修改的牛頓動力學(xué)”（MOND理論），他發(fā)現(xiàn)如果我們將牛頓引力中的加速度稍微改變一點點，就可以解釋不同大小和不同年齡的星系的自轉(zhuǎn)速度。
雖然基于MOND發(fā)展出來的理論可以解釋星系的自轉(zhuǎn)問題，但一直以來，這些理論都無法解釋宇宙微波背景（這是宇宙大爆炸最關(guān)鍵的觀測證據(jù)），以至于它在很長的一段時間內(nèi)都沒有得到足夠多的重視。直到去年，兩名理論物理學(xué)家提出的一種新的MOND模型，終于克服了這一主要障礙。
我們無法確認(rèn)究竟是暗物質(zhì)還是MOND理論在默默地守護(hù)著星系，但可以肯定的是，如果暗物質(zhì)探測持續(xù)一無所獲，那么將會有越來越多人開始關(guān)注MOND理論。
宇宙中的先進(jìn)文明
德雷克方程的“考古形式”。
在浩瀚的宇宙中，人類是孤獨的嗎？
1961年，天體物理學(xué)家弗蘭克·德雷克（Frank Drake）提出了一個著名的方程來估算銀河系中可能存在的先進(jìn)文明的數(shù)量。隨著空間技術(shù)的進(jìn)步，科學(xué)家已經(jīng)對方程中的一些變量有了更好的認(rèn)識。但對于像先進(jìn)文明的預(yù)期存在的時間這樣的變量，除了猜測，我們無法再做什么。
2016年，亞當(dāng)·弗蘭克（Adam Frank）和伍德拉夫·沙利文（Woodruff Sullivan）提出了一個新的等式來解決稍微不同的問題：在可觀測宇宙的歷史中，可能發(fā)展成先進(jìn)文明的數(shù)量是多少？
在新的方程中，A被定義為“在可觀測宇宙的歷史上曾形成的科技物種的數(shù)量。”在方程的右邊，N代表的是宇宙中給定體積內(nèi)（可以是銀河系或是整個宇宙）宜居行星的數(shù)量，f則表示在這些行星中發(fā)展出先進(jìn)文明的概率。
宇宙中最奇異的天體
霍金溫度公式。
黑洞是宇宙中最神秘的天體。最簡單的一種黑洞形式也被稱為施瓦西黑洞，在愛因斯坦剛提出廣義相對論的不久后，施瓦西（Karl Schwarzschild）就找到了愛因斯坦場方程的第一個解。施瓦西找到的解對應(yīng)的是一個只有質(zhì)量，沒有電荷和自旋的黑洞。
由于黑洞擁有極強(qiáng)的引力，以至于任何進(jìn)入到黑洞的東西都無法逃脫。霍金（Stephen Hawking）等人曾認(rèn)為黑洞不會輻射，但如果是這樣，那么被視為鐵律的熱力學(xué)第二定律就會被違反。1974年，基于廣義相對論和量子場論，霍金重新研究了黑洞周圍的彎曲空間后發(fā)現(xiàn)，黑洞具有溫度，所以也會輻射。霍金輻射從未被探測到，這是因為一個典型黑洞的溫度非常小。例如，一個太陽質(zhì)量的黑洞的霍金溫度約為0.00000006開爾文。
在著名的黑洞溫度公式中，我們可以看到公式中包含萬有引力常數(shù)、普朗克常數(shù)、光速和玻爾茲曼常數(shù)。也就是說，這一公式把量子理論、廣義相對論和熱力學(xué)全都聯(lián)系在了一起。
宇宙隧道
新“愛因斯坦”方程。
僅從這個方程看，也許你會認(rèn)為這個方程的成立應(yīng)當(dāng)要求P=1，但事實并非如此。因為這個方程實際上連接的是愛因斯坦在1935年發(fā)表的兩篇具有里程碑意義的論文。
E、P、R這三個字母代表的分別是三位物理學(xué)家：愛因斯坦（Einstein）、羅森（Rosen）和波多爾斯基（Podolsky）。方程左邊的ER代表的是蟲洞（又被稱為愛因斯坦-羅森橋），它可以為兩個相距非常遙遠(yuǎn)的時空區(qū)域創(chuàng)建一條時空隧道。方程的右邊代表的是愛因斯坦、波多爾斯基和羅森在另一篇論文中提出的量子糾纏：當(dāng)兩個粒子處于糾纏時，對其中一個粒子的狀態(tài)進(jìn)行測量就能立即知道另一個粒子的狀態(tài)，無論它們相距多么遙遠(yuǎn)。
2013年，馬爾達(dá)西那（Juan Maldacena）和蘇士侃（Leonard Susskind）提出，蟲洞和量子糾纏之間的聯(lián)系并不只是體現(xiàn)在它們是在同一年提出的，實際上它們本質(zhì)上是相同的。任何兩個通過糾纏連接在一起的粒子，它們實際上就是通過蟲洞連接在一起的，反之亦然。這就意味著，也許量子力學(xué)和引力之間的聯(lián)系要比我們想象的更加緊密。
#創(chuàng)作團(tuán)隊：
撰文：Zwicky
設(shè)計：雯雯
#參考來源：
https://arxiv.org/pdf/1302.1498.pdf
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.161302
#圖片來源：
封面圖：Pixabay
首圖：Pixabay
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不代表中科院物理所立場
