从爱因斯坦场方程推导出来的弗里德曼方程能告诉我们什么
让我们先把目光停留在等号的左边,事实上它是一个能量方程。左边第一项类似于膨胀的动能,但这种动能被左边第二项能量的引力效应所**,其中ρ是宇宙的物质密度。所以第二项代表了宇宙自身减速的能力,类似于引力势能。这两个类似能量的术语之间的平衡将告诉我们宇宙的命运,它有几种可能性。 如果膨胀的动能和坍缩的势能完全平衡,那么宇宙将会停止膨胀并不会缩小。在这种情况下,等式的左边刚好等于零。但如果等式的结果是大于零,也就是说膨胀的动能大于势能,宇宙将永远膨胀下去。最后一种可能性是小于零,宇宙将先膨胀后缩小。那么,答案是什么?宇宙会永远膨胀还是会回缩? 很长一段时间,科学家认为宇宙最终的命运在于宇宙的密度ρ。所以几十年来,天文学家一直在努力测量宇宙大范围内物质和暗物质的质量总和。事实证明,宇宙的密度太低了,只有扭转膨胀所需密度的四分之一。因此,弗里德曼方程的左边项是正的,宇宙将永远膨胀。 等式右边项描述了空间的曲率,它取决于k值,k在某种意义上是宇宙的形状,k可以是 1、-1或0。 宇宙微波背景辐射可以让我们检验宇宙的形状。对其上特征大小的观察使我们能够验证宇宙中最大三角形的角度,加起来刚好等于180度。这是一个平坦的欧几里得宇宙的直线几何,平坦到0.4%以内。因此方程的右侧必须非常接近于零,而左侧却是严格地大于零,显然两者之间不匹配。 宇宙常数“宇宙学常数”这个表达是一个线索。随着宇宙的膨胀,常规物质和能量被稀释掉。但宇宙学常数所描述的事物并不会这样,它的密度保持不变,所以宇宙越大,这种能量就越多。我们称它为暗能量,并将其解释为真空本身所拥有的能量。 |
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用两种方法推导爱因斯坦的质能方程
我们也用两种方法来推导质能方程。质量的相对论公式为:利用泰勒展开公式把右边项展开,右边第二项就是牛顿中的动能方程。为了解释上边式子的物理意义,爱因斯坦首先提出假设,物体的总能量等于质量与光速平方的乘积,上面的式子就是著名的爱因斯坦质能关系的公式。其中mc是物体的静能,第二种方法我们还可以用第二种方法来理解爱因斯坦的质能方程。动能定理仍然成立,但动能的形式有所不同。它做的功等于动能的变化。
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第二个弗里德曼方程:暗能量为何表现出负压
弗里德曼的第一个方程告诉我们暗能量会产生宇宙大小的变化,但要了解为什么暗能量会向外推动并使宇宙加速膨胀,它的反引力效应就出现在其中。当我们向第二个弗里德曼方程添加宇宙常数的时候,宇宙常数被设计成与常规物质相反的方向工作,暗能量是真实的物理性质。宇宙常数的影响是暗能量自身密度和压力的综合影响,暗能量向内的拉力怎么会产生向外扩张。暗能量负压并没有直接的影响效果,因为负压在宇宙中无处不在并且都相同。