在宇宙膨胀的背景下，从宇宙大爆炸到现在的宇宙历史示意图。第一个弗里德曼方程描述了所有这些时期，从宇宙暴胀到大爆炸，再到现在和遥远的未来。即使在今天，该方程也非常准确新浪科技讯 北京时间12月8日消息，据国外媒体报道，1922年，苏联数学家、气象学家和宇宙学家亚历山大·弗里德曼提出了以他名字命名的一组方程，时至今日，这仍然是描述我们所处整个宇宙的唯一方程。
在所有的学科中，我们都可以很容易地根据目前所观察到的现象来得出结论。然而，当你想要将所知的，在一定范围内已经得到充分检验的一切扩展到一个超出现有理论有效性的地方时，可能就会遇到巨大的麻烦。例如，牛顿物理学日常情况下都是有效的，但在非常小的尺度下，量子力学便开始发挥作用；当接近一个非常大的质量时，广义相对论就变得异常重要；如果是在接近光速的情况下，我们就得求助于狭义相对论。当我们在现代宇宙学的框架内对整个宇宙进行描述时，我们必须非常小心，才能确保所用的理论是正确的。
正如我们今天所知的那样，宇宙正在不断膨胀、冷却，并且随着年龄的增长而变得越来越不平坦、密度越来越小。在最大的宇宙尺度上，事物似乎是均一的；在可见的宇宙中，如果去到几十亿光年之外另一端，你会发现，任何地方的平均密度都是一样的（精确度可高达99.997%）。然而，当涉及如何理解宇宙，包括宇宙如何随时间演变的问题时，我们只需要一个方程来进行描述，那就是第一个弗里德曼方程。以下我们就来讲一讲这个方程为什么如此强大的原因，以及一些将它应用于整个宇宙的假设。
科学家对爱因斯坦的广义相对论进行了无数的科学验证，使这一理论受到了前所未有的严格限制。爱因斯坦的第一个解是关于单一质量（如太阳）的弱场极限；他将这些结果应用于太阳系，取得了巨大的成功。很快，科学家们就得出了不少精确解回到故事的开始。爱因斯坦在1915年提出了广义相对论，该理论迅速取代牛顿的万有引力定律，成为主流的引力理论。牛顿的假设是，宇宙中所有的质量物体会通过一个不限范围的"超距作用"，在瞬时相互吸引；爱因斯坦的理论则非常不同，甚至用到了全新的概念。
空间不再是物质存在和移动的不变背景，而是与时间紧密地联系在一起；换言之，二者组成了交织在一起的"时空"。没有什么能比光速更快地穿越时空，而且你在空间中的移动速度越快，你在时间中的移动速度就越慢（反之亦然）。无论何时何地，只要任何形式的能量——不仅仅是质量——存在，时空的结构便是弯曲的，其曲率的大小与该位置的宇宙的应力-能量张量（简称能动张量）直接相关。
简而言之，时空的曲率决定了物质和能量将如何穿过它，而物质和能量的存在和分布又决定了时空将如何弯曲。
在广义相对论中，爱因斯坦的方程为我们提供了一个非常强大的研究框架。但与此同时，寻找爱因斯坦场方程的解也非常困难：只有最简单的时空才能被精确地求解，而不是用数值求得近似解。第一个精确解出现在1916年，当时卡尔·史瓦西发现了非旋转质点的解，也就是我们今天所说的黑洞。如果你决定在宇宙中放置第二个质量，那这组方程就变得不可解了。
2017年，伊桑·西格尔与美国天文学会的"超级影视墙"。右图是第一个弗里德曼方程，用现代符号表示：左边是宇宙的膨胀率（H^2），右边则代表宇宙中所有的物质和能量形式，包括空间曲率和宇宙常数然而，仍有相当多的精确解被求得。最早的一个是亚历山大·弗里德曼在1922年提供的：他推断，如果宇宙是均匀地充满了某种能量——物质、辐射、宇宙常数或任何你能够想象的能量形式——而且能量是均匀分布在各个方向和位置上，那么他的方程就为时空演化提供了一个精确解。
值得注意的是，弗里德曼发现的这个解在本质上是不稳定的。如果宇宙从静止状态开始，并且充满了这种能量，那它将不可避免地收缩，直到坍缩为一个奇点。另一种场景是，宇宙在不断膨胀，而所有不同能量形式的引力效应都在对抗膨胀。突然间，宇宙学的研究似乎具有了坚实的科学基础。
弗里德曼方程——尤其是第一个弗里德曼方程——对现代宇宙学的重要性再怎么强调也不为过。很多人甚至认为，整个物理学中最重要的发现其实根本就不是"物理"的，而是一个数学概念：微分方程。
暴胀期间发生的量子涨落在宇宙中被拉伸，当暴胀结束时，它们会变成密度涨落。随着时间的推移，这导致了今天宇宙的大尺度结构，以及宇宙微波背景中观测到的温度波动。诸如此类的新预测对于证明某些微调机制的有效性至关重要在物理学中，微分方程是指一个从某个初始状态开始的方程，你可以将最能代表系统的属性放到方程中。想研究粒子？没问题，只要告诉我们这些的位置、动量、质量和其他相关的属性。微分方程的强大之处在于，我们可以基于系统开始时的条件，通过方程来了解系统在下一个时刻如何演化。然后，你可以将新的位置、动量和所有能推导出的其他属性放入同一个微分方程中，再计算出接下来一个时刻的演化情况。
从牛顿的万有引力定律到描述物理系统的量子态如何随时间演化的薛定谔方程，微分方程让我们能在时间上向前或向后发展出任何物理系统。
不过，用方程来描述整个宇宙也会遇到限制。当方程不能再描述你的物理系统时，你的理论就超出了近似有效的范围。对于第一个弗里德曼方程，你需要宇宙中的一切保持不变：物质仍然是物质，辐射仍然是辐射，宇宙常数仍然是宇宙常数，并且不允许从一种能量转换为另一种能量。
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