宇宙の中で最も重要な方程式

先週、Perimeter Instituteは、14人の科学者に自分の好きな方程式が何であるか、そしてその理由を尋ねた機能を実行しました。 熱力学から純粋な数学まで、さまざまな研究分野から多くの素晴らしい答えがありました。 多くの人々は、重力の法則、ニュートンの有名なF=ma、または量子粒子を支配するシュレーディンガー方程式のような基本的な方程式を持っていました。 私はこのリストに含まれていることの名誉を持っていた、と私が与えた答えは、これらのどれもありませんでした。 代わりに、私が選んだ方程式は非常に具体的なものでした：特定の状況下でのアインシュタインの一般相対性理論から派生した最初のフリードマン方程式。

なぜ私がその方程式を選んだのか尋ねたとき、私が言ったことは次のとおりです。

“最初のフリードマン方程式は、宇宙 宇宙がどこから来たのか、どこに向かっているのかを知りたい場合は、今日どのように拡大しているのか、その中に何があるのかを測定する必要があ この方程式は、あなたが残りを予測することができます！”

フリードマンの物語、彼の方程式、そしてそれが私たちの宇宙について教えていることは、すべての科学愛好家が知っておくべき物語

1915年、アインシュタインは時空の曲率を宇宙の物質とエネルギーの存在に関連させた一般相対性理論を発表しました。 ジョン-ウィーラーが何年も後に述べたように、時空はどのように動くかを物質に伝え、物質は時空にどのように曲線を描くかを伝えます。 アインシュタインの理論は、ニュートンの重力の以前のすべての成功を一挙に再現し、水星の軌道の複雑さを説明し（ニュートンの理論ではできなかった）、1919年の皆既日食の間に見事に確認された星の光の曲がりの新しい予測をした。 唯一の問題は？ 宇宙が崩壊するのを防ぐために、アインシュタインは宇宙定数—一般相対性理論では静的な時空が不安定であるという事実のためのアドホックな修正—を彼の理論に加える必要があった。 それは醜い、それは細かく調整され、それは他の動機を持っていませんでした。

フリードマンを入力します。 1922年、日食の確認からわずか3年後、フリードマンは宇宙定数を取り除くと同時に宇宙を救う優雅な方法を見つけました: それが静的であると仮定しないでください。 代わりに、フリードマンは、それが我々がそれを観察するように、物質と放射線でいっぱいであり、湾曲することが許されていると仮定すると主張した。 さらに、「すべての方向で同じ」と「すべての場所で同じ」を意味する数学的な単語である、ほぼ等方性で均質であると仮定します。「あなたがこれらの仮定をするならば、2つの方程式が飛び出します：Friedmann方程式。 彼らは、宇宙は静的ではなく、むしろ膨張率とあなたの宇宙の内容が何であるかに応じて膨張するか収縮するかのどちらかであると言います。 何よりも、彼らは宇宙がどのように時間とともに進化し、任意に未来または過去にどのように進化しているかを教えてくれます。

注目すべきは、私たちが宇宙が拡大していることを発見する前に、フリードマンがこれを出したことです; ハッブルが宇宙の天の川の向こうに銀河があることを発見する前に！ ハッブルがアンドロメダのケフェイド変光星を同定し、その距離を教え、それを私たち自身の銀河のはるか外に置くのは来年までではないでしょう。 さらに、1920年代後半まで、Georges Lemaîtreと後に独立してハッブルは、宇宙が拡大していると結論づけるために赤方偏移と距離の数字を一緒に置くでしょう。 その時までに、若いフリードマンはすでに悲劇的に彼が1925年に彼の新婚旅行から戻っている間に契約していた腸チフスで死亡していた。

しかし、彼の科学的遺産は議論の余地がなく、宇宙論をよりよく理解するようになったので、さらにそのようになりました。 最初のFriedmann方程式は、観測に結び付けるのが最も簡単で簡単なので、2つの中で最も重要です。 一方の側では、膨張率（二乗）に相当するもの、または口語的にハッブル定数として知られているものがあります。 （宇宙が時間の経過とともに拡大または縮小するにつれて変化する可能性があるため、それは本当に一定ではありません。）それは、宇宙の生地が時間の関数としてどのように拡大または収縮するかを示しています。

反対側には文字通り他のすべてがあります。 宇宙を構成するすべての物質、放射線、および他の形態のエネルギーがあります。 宇宙が閉じている（正に湾曲している）か、開いている（負に湾曲している）か、平らである（湾曲していない）かに依存して、空間自体に固有の曲率があります。 宇宙定数は、エネルギーの一形態であるか、または宇宙の本質的な性質であることができます。