[科普中國]-宇宙奇點(diǎn)

定義

弗里德曼根據(jù)廣義相對論，共計(jì)算出三類膨脹宇宙模型。不管哪一類膨脹宇宙模型，在開始時(shí)，星系之間的距離為零，物質(zhì)、時(shí)間和空間都卷曲成一個(gè)沒有大小的點(diǎn)。因而，宇宙的物質(zhì)密度，以及時(shí)空曲率都是無窮大的。在數(shù)學(xué)上，這樣的點(diǎn)叫做“奇點(diǎn)”。宇宙中這個(gè)點(diǎn)被稱為“宇宙奇點(diǎn)”。宇宙奇點(diǎn)正是廣義相對論所預(yù)言的。2

性質(zhì)奇點(diǎn)是現(xiàn)代宇宙科學(xué)中的一個(gè)未被真正了解卻又無法回避的天體，其物理屬性已經(jīng)超過了現(xiàn)有物理學(xué)的研究范疇。其實(shí)，根據(jù)廣義相對論物質(zhì)使時(shí)空彎曲的觀點(diǎn)，可以直接推論出宇宙奇點(diǎn)，因?yàn)楫?dāng)物質(zhì)引力無限大時(shí)，可使時(shí)空曲率變得無限大。2

起源1948年，喬治·伽莫夫發(fā)表了《大爆炸宇宙論》一文章，他認(rèn)為宇宙起源于一次大爆炸，并作出了一個(gè)驚人的預(yù)言：宇宙的熱的早期輻射（以光的形式）今天還應(yīng)在周圍存在，但其溫度已被降低到5k。理論預(yù)言后被彭齊亞斯和威爾遜于1965年證實(shí)。伽莫夫的《大爆炸宇宙論》主要從大爆炸1秒鐘討論起的。他未能論述是什么力量使宇宙發(fā)生大爆炸的？那宇宙的第一推動力是怎樣的？從廣義相對論的理論看，當(dāng)時(shí)空等于零時(shí)，是宇宙的最小條件，這時(shí)宇宙出現(xiàn)一個(gè)奇點(diǎn)。奇點(diǎn)處宇宙體積為零，物質(zhì)密度、奇點(diǎn)溫度、時(shí)空曲率都出現(xiàn)了無窮大。這些都是現(xiàn)代物理定律無法解釋的。

科學(xué)探究哈勃發(fā)現(xiàn)星系紅移1929年哈勃發(fā)現(xiàn)的星系紅移，成為膨脹宇宙的第一個(gè)證據(jù)。斯蒂芬-霍金指出，宇宙膨脹的發(fā)現(xiàn)，是20世紀(jì)的偉大智力革命之一，它徹底地改變了有關(guān)宇宙起源的討論。如果星系在相互離開，它們在過去必然更加接近，根據(jù)現(xiàn)在的膨脹率，在100～150億年前它們是擠在一起的。

愛因斯坦一德西特模型1932年，愛因斯坦與德西特放棄他們各自的“靜態(tài)宇宙模型”，而聯(lián)手建立了沒有宇宙常數(shù)的新的宇宙模型，即“愛因斯坦一德西特模型”。在這個(gè)用廣義相對論基本方程構(gòu)造出來的簡單宇宙模型中，明確指出宇宙在膨脹，并且暗示在很久以前有一個(gè)確定的“創(chuàng)世事件”存在。在這個(gè)事件中，宇宙從一個(gè)數(shù)學(xué)上無窮大的“奇點(diǎn)”創(chuàng)生出來。

彭羅斯定理1965年，彭羅斯從理論上證明，老年恒星在自己的引力作用下收縮(專業(yè)叫法為“坍縮”)，其表面積最后會縮小到零。這樣，其體積當(dāng)然為零。體積為零，其物質(zhì)密度、時(shí)空曲率也就無限大。這正是奇點(diǎn)。彭羅斯指出，任何坍縮必須終結(jié)于一個(gè)奇點(diǎn)。他的理論被稱為“彭羅斯定理”。彭羅斯定理雖然是以廣義相對論為基礎(chǔ)的，但愛因斯坦不愿意承認(rèn)廣義相對論的這個(gè)預(yù)言，他認(rèn)為恒星將在某一個(gè)最終狀態(tài)安定下來。

霍金霍金在看了彭羅斯的論文后，也在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了理論研究。他的研究進(jìn)一步指出，彭羅斯定理也適合于整個(gè)宇宙。宇宙在引力作用下，最后也會坍縮為一個(gè)奇點(diǎn)。如果將時(shí)間反演，宇宙則是從奇點(diǎn)開始的。

與數(shù)學(xué)不能處理無窮大數(shù)的奇點(diǎn)一樣，廣義相對論也不能處理自己所預(yù)言的宇宙奇點(diǎn)，也就是說，廣義相對論在宇宙奇點(diǎn)失效了，它不能告訴我們宇宙是如何開始的。

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