Ілюстрацыя нашай касмічнай гісторыі, пачынаючы ад Вялікага выбуху да сённяшняга дня, у кантэксце пашыраецца Сусвету. Першае раўнанне Фрыдмана апісвае ўсе гэтыя эпохі: ад інфляцыі да Вялікага выбуху ў сучаснасць і далёка ў будучыню, цалкам дакладна нават сёння. (НАСА / WMAP навуковая каманда)

Самае важнае раўнанне ва Сусвеце

Усяго адно ўраўненне звязана з пашырэннем прасторы на ўсе рэчы і энергію, якія мы маем. Калі вы ведаеце гэта, вы можаце даведацца пра лёс Сусвету.

На мінулым тыдні Інстытут перыметра правёў функцыю, дзе яны спыталі ў 14 навукоўцаў, што іх любімае раўнанне і чаму. Было шмат выдатных адказаў з самых розных абласцей даследаванняў: ад тэрмадынамікі да чыстай матэматыкі. Шмат людзей пайшлі з фундаментальнымі раўнаннямі, такімі як закон гравітацыі, знакаміты F = ma Ньютана альбо ўраўненне Шрэдынгера, якое кіруе квантавымі часціцамі. Я меў гонар быць уключаным у гэты спіс, і адказ, які я даў, быў ні адзін з іх. Замест гэтага я выбраў раўнанне, якое было вельмі канкрэтным: першае раўнанне Фрыдмана, якое выводзіцца з ААН Эйнштэйна пры пэўнай сукупнасці абставін.

Фотаздымак Этана Сігеля з гіперкары Амерыканскага астранамічнага таварыства ў 2017 годзе, а таксама першае раўнанне Фрыдмана справа (Інстытут Перыметра / Харлі Тронсан)

Калі яны спыталі, чаму я выбраў гэтае раўнанне, вось што я сказаў:

"Першае раўнанне Фрыдмана апісвае, як, зыходзячы з таго, што знаходзіцца ва Сусвеце, хуткасць яго пашырэння з цягам часу будзе змяняцца. Калі вы хочаце ведаць, адкуль пайшла Сусвет і адкуль яна ўзначальваецца, усё, што вам трэба вымераць, - гэта тое, як яна пашыраецца сёння і што ў ёй знаходзіцца. Гэта раўнанне дазваляе прадказаць усё астатняе! "

Гісторыя Фрыдмана, яго раўнанне і тое, што ён вучыць нас у нашай Сусвеце - гэта гісторыя, якую павінен ведаць кожны аматар навукі.

Было праведзена незлічоная колькасць навуковых выпрабаванняў агульнай тэорыі адноснасці Эйнштэйна, падвяргаючы гэтую ідэю некаторым з самых жорсткіх абмежаванняў, калі-небудзь атрыманых чалавецтвам. Першае рашэнне Эйнштэйна заключалася ў абмежаванні слабога поля вакол адной масы, падобнай да Сонца; ён выкарыстаў гэтыя вынікі ў нашай Сонечнай сістэме з драматычным поспехам. (Навуковае супрацоўніцтва LIGO / Т. Піл / Caltech / MIT)

У 1915 годзе Эйнштэйн выклаў сваю тэорыю агульнай адноснасці, якая звязала скрыўленне прасторы часу, з аднаго боку, з наяўнасцю матэрыі і энергіі ў Сусвеце, з другога. Як сказаў Джон Уілер шмат гадоў пазней, касмічны час распавядае пра тое, як рухацца; матэрыя кажа прасторы часу, як крывіць. Тэорыя Эйнштэйна адным махам узнавіла ўсе папярэднія поспехі гравітацыі Ньютана, растлумачыла тонкасці арбіты Меркурыя (што тэорыя Ньютана не змагла) і зрабіла новы прагноз выгіну зорнага святла, што было ўражліва пацверджана падчас агульнай сонечнае зацьменне 1919 г. Адзіная праблема? Каб прадухіліць развал Сусвету, Эйнштэйн мусіў дадаць да сваёй тэорыі касмалагічную канстанту - адмысловую фіксацыю таго, што статычныя прасторы былі нестабільнымі ў Агульнай адноснасці. Яно было непрыгожае, ясна было наладжана, і яно не мела ніякай іншай матывацыі.

Аляксандру Фрыдману было ўсяго 33 гады, калі ён запісваў ураўненні Фрыдмана і прадказваў пашырэнне Сусвету. Праз тры гады яго жыццё трагічна перарвалася б хваробай. (Э. А. Троп, В. Я. Фрэнкель і А. Д. Чарнін; Cambridge University Press)

Увядзіце Фрыдмана. У 1922 годзе, усяго праз тры гады пасля пацверджання зацьмення, Фрыдман знайшоў элегантны спосаб выратаваць Сусвет, адначасова ідучы з касмалагічнай канстантай: не варта лічыць яго статычным. Замест гэтага Фрыдман сцвярджаў, дапусцім, што ён, як мы яго назіраем, поўны матэрыі і выпраменьвання і дазволіў скрывіцца. Дапусцім, што гэта прыблізна ізатропныя і аднародныя, якія з'яўляюцца матэматычнымі словамі, якія азначаюць "адно і тое ж ва ўсіх напрамках" і "адно і тое ж ва ўсіх месцах". Калі вы робіце гэтыя здагадкі, выскачаць два ўраўненні: ураўненні Фрыдмана. Яны кажуць вам, што Сусвет не статычная, а хутчэй, альбо пашыраецца, альбо скарачаецца ў залежнасці ад хуткасці пашырэння і зместу вашай Сусвету. Лепш за ўсё яны распавядаюць вам пра тое, як Сусвет развіваецца з часам, адвольна далёка ў будучыню ці мінулае.

Чаканыя лёсы Сусвету (тры лепшыя ілюстрацыі) адпавядаюць Сусвету, дзе матэрыя і энергія змагаюцца з пачатковай хуткасцю пашырэння. У нашай назіральнай Сусвеце касмічнае паскарэнне выклікана нейкай цёмнай энергіяй, якая да гэтага часу невытлумачальная. (Э. Зігель / За Галактыкай)

Што характэрна, што Фрыдман выклаў гэта, перш чым мы выявілі, што Сусвет пашыраецца; яшчэ да таго, як Хабл нават выявіў, што за Сусветным Галактыкам існуюць галактыкі! І толькі на наступны год Хабл вызначыць зорныя змены Цефеіда ў Андрамедзе, навучыўшы яго адлегласці і размясціўшы яго далёка за межамі нашай уласнай галактыкі. Акрамя таго, не да канца 1920-х гадоў Жорж Лемаотрэ, а потым і незалежна, Хабл, аб'яднаюць фігуры чырвонага зруху і адлегласці, каб зрабіць выснову, што Сусвет пашыраецца. Да таго часу малады Фрыдман ужо трагічна памёр ад брушнога тыфу, які ён заразіўся, вяртаючыся з мядовага месяца ў 1925 годзе.

Адкрыццё Хаббла зменнай Цефеіда ў галактыцы Андрамеды, М31, адкрыла нам Сусвет, даючы нам назіральныя доказы, неабходныя нам для галактык за Млечным Шляхам і якія прыводзяць да пашырэння Сусвету. (Э. Хабл, НАСА, ЕКА, Р. Гендлер, З. Левай і каманда па спадчыне Хабла)

І ўсё ж яго навуковая спадчына была бясспрэчнай і стала тым больш, што мы лепш зразумелі касмалогію. Першае раўнанне Фрыдмана - самае важнае з двух, бо звязаць яго са сваімі назіраннямі найбольш проста і проста. З аднаго боку, вы маеце эквівалент хуткасці пашырэння (у квадраце), альбо тое, што ў гутарцы вядомы як канстанта Хабла. (Гэта сапраўды не стала, бо ён можа змяняцца па меры пашырэння Сусвету альбо скарачэння з цягам часу.) Гэта паведамляе вам пра тое, як тканіна Сусвету пашыраецца або скарачаецца як функцыя часу.

Першае раўнанне Фрыдмана, як звычайна пішацца сёння (у сучасных абазначэннях), дзе левы бок падрабязна расказвае пра хуткасць пашырэння Хабла і эвалюцыю прасторы-часу, а правая частка ўключае ўсе розныя формы матэрыі і энергіі, а таксама прасторавую крывізну. (LaTeX / агульнадаступнае)

З іншага боку літаральна ўсё астатняе. Там ёсць усё рэчыва, выпраменьванне і любыя іншыя формы энергіі, якія ўваходзяць у Сусвет. Там сама крывізна ўласцівая самому прасторы, залежыць ад таго, зачынена Сусвет (станоўча выгнутая), адкрытая (адмоўна выгнутая) альбо плоская (нязломленая). А яшчэ ёсць тэрмін "Λ": касмалагічная канстанта, якая можа быць альбо формай энергіі, альбо можа быць уласцівай прасторы.

Ілюстрацыя таго, як прасторавы час пашыраецца, калі ў ім пераважаюць Матэрыя, Радыяцыя ці энергія, уласцівая самому прасторы. Усе тры гэтыя рашэнні можна атрымаць з ураўненняў Фрыдмана. (Э. Зігель)

У любым выпадку, гэта раўнанне, якое адносіцца да таго, як Сусвет, колькасна пашыраецца, да таго, што ўваходзіць у яго матэрыю і энергію. Вымерайце, што сёння ў Вашым Сусвеце і як хутка ён сёння пашыраецца, і вы можаце экстрапаляваць наперад або назад адвольнымі сумамі. Вы можаце ведаць, як Сусвет пашыралася ў далёкім мінулым альбо адразу пасля Вялікага выбуху. Вы можаце ведаць, будзе ён узбіцца ці не (не будзе), альбо хуткасць пашырэння будзе асімптотавацца да нуля (не будзе) альбо назаўсёды застанецца станоўчай (будзе).

Сусвет не проста раўнамерна пашыраецца, але ў ёй ёсць невялікія недасканаласці шчыльнасці, якія дазваляюць нам фармаваць зоркі, галактыкі і навалы галактык з цягам часу. Даданне неаднароднасцей шчыльнасці да першага раўнання Фрыдмана з'яўляецца адпраўной кропкай для разумення таго, як выглядае Сусвет сёння. (Э. Хаф, каманда SDSS-III і каманда паўднёвага полюса; графік - Зосія Растомян)

І, мабыць, найбольш эфектна можна дадаць недасканаласці на гэтым гладкім фоне. Недасканаласці шчыльнасці, якія вы ўкладваеце ў вашу Сусвет, кажуць вам пра тое, як буйнамаштабная структура расце і фармуецца, што вырастае ў галактыку / кластар, а што не, і што стане гравітацыйна звязаным у залежнасці ад таго, што будзе разбіта на часткі.

Усё гэта можна атрымаць з аднаго адзінага раўнання: першага раўнання Фрыдмана.

Існуе вялікі набор навуковых доказаў, якія падтрымліваюць карціну пашырэння Сусвету і Вялікага выбуху. Невялікая колькасць уваходных параметраў і вялікая колькасць поспехаў і прагнозаў назіранняў, якія былі пасля правераны, з'яўляюцца адметнымі рысамі паспяховай навуковай тэорыі. Ураўненне Фрыдмана апісвае ўсё гэта. (НАСА / GSFC)

Хоць жыццё Фрыдмана было кароткім, яго ўплыў нельга пераацаніць. Ён быў першым, хто знайшоў рашэнне агульнай адноснасці, якое апісвае нашу Сусвет: пашыраецца Сусвет, напоўненая матэрыяй. Пазней трое іншых - Жорж Лемаотрэ, Говард Робертсан і Артур Уокер - Фрыдман у поўнай меры зразумеў свае наступствы і прымяненне і нават прыдумаў першыя рашэнні для экзатычна выгнутых прастор. Ён таксама быў уплывовым настаўнікам; яго самым вядомым вучнем быў Джордж Гамаў, які потым прыме прымяненне працы Фрыдмана да пашырэння Сусвету, каб стварыць Тэорыю вялікага выбуху нашага касмічнага паходжання.

Візуальная гісторыя пашырэння Сусвету ўключае ў сябе гарачы, шчыльны стан, які называецца Вялікі выбух, а таксама рост і фарміраванне структуры ў далейшым. Джордж Гамаў, студэнт Фрыдмана, быў выразна моцна паўплываў на яго ідэю Вялікага выбуху, адкуль паходзіць гэтая карціна. (NASA / CXC / М. Вайс)

Амаль праз стагоддзе пасля сваёй самай вядомай працы ўраўненні Фрыдмана былі распаўсюджаны на Сусвет, які змяшчае інфляцыйнае паходжанне, цёмную матэрыю, нейтрына і цёмную энергію. І ўсё ж яны ўсё яшчэ сапраўды дзейнічаюць, не патрабуючы ніякіх дапаўненняў і змяненняў для ўліку гэтых велізарных поспехаў. У той час як мы можам спрачацца аб адносных вартасцях Эйнштэйна, Ньютана, Максвела, Фейнмана, Больцмана, Хокінга і многіх іншых, калі гаворка ідзе пра пашыраецца Сусвету, першае раўнанне Фрыдмана - адзінае, што вам трэба. Ён злучае матэрыю і энергію, якія прысутнічаюць у хуткасці пашырэння сёння, у мінулым і ў будучыні, і дазваляе даведацца пра лёс і гісторыю Сусвету па мерках, якія мы можам зрабіць сёння. Што тычыцца тканіны нашага Сусвету, гэта ўраўненне прымае карону як самае важнае.

Цяпер пачынаецца з выбуху на Forbes, і апублікаваны на Medium дзякуючы нашым прыхільнікам Patreon. Этан з'яўляецца аўтарам дзвюх кніг "За межамі Галактыкі" і "Трэкнологія: Навука пра зорны шлях" ад трыкутнікаў да "драйву".