[科普中国]-宇宙奇点

定义

弗里德曼根据广义相对论，共计算出三类膨胀宇宙模型。不管哪一类膨胀宇宙模型，在开始时，星系之间的距离为零，物质、时间和空间都卷曲成一个没有大小的点。因而，宇宙的物质密度，以及时空曲率都是无穷大的。在数学上，这样的点叫做“奇点”。宇宙中这个点被称为“宇宙奇点”。宇宙奇点正是广义相对论所预言的。2

性质奇点是现代宇宙科学中的一个未被真正了解却又无法回避的天体，其物理属性已经超过了现有物理学的研究范畴。其实，根据广义相对论物质使时空弯曲的观点，可以直接推论出宇宙奇点，因为当物质引力无限大时，可使时空曲率变得无限大。2

起源1948年，乔治·伽莫夫发表了《大爆炸宇宙论》一文章，他认为宇宙起源于一次大爆炸，并作出了一个惊人的预言：宇宙的热的早期辐射（以光的形式）今天还应在周围存在，但其温度已被降低到5k。理论预言后被彭齐亚斯和威尔逊于1965年证实。伽莫夫的《大爆炸宇宙论》主要从大爆炸1秒钟讨论起的。他未能论述是什么力量使宇宙发生大爆炸的？那宇宙的第一推动力是怎样的？从广义相对论的理论看，当时空等于零时，是宇宙的最小条件，这时宇宙出现一个奇点。奇点处宇宙体积为零，物质密度、奇点温度、时空曲率都出现了无穷大。这些都是现代物理定律无法解释的。

科学探究哈勃发现星系红移1929年哈勃发现的星系红移，成为膨胀宇宙的第一个证据。斯蒂芬-霍金指出，宇宙膨胀的发现，是20世纪的伟大智力革命之一，它彻底地改变了有关宇宙起源的讨论。如果星系在相互离开，它们在过去必然更加接近，根据现在的膨胀率，在100～150亿年前它们是挤在一起的。

爱因斯坦一德西特模型1932年，爱因斯坦与德西特放弃他们各自的“静态宇宙模型”，而联手建立了没有宇宙常数的新的宇宙模型，即“爱因斯坦一德西特模型”。在这个用广义相对论基本方程构造出来的简单宇宙模型中，明确指出宇宙在膨胀，并且暗示在很久以前有一个确定的“创世事件”存在。在这个事件中，宇宙从一个数学上无穷大的“奇点”创生出来。

彭罗斯定理1965年，彭罗斯从理论上证明，老年恒星在自己的引力作用下收缩(专业叫法为“坍缩”)，其表面积最后会缩小到零。这样，其体积当然为零。体积为零，其物质密度、时空曲率也就无限大。这正是奇点。彭罗斯指出，任何坍缩必须终结于一个奇点。他的理论被称为“彭罗斯定理”。彭罗斯定理虽然是以广义相对论为基础的，但爱因斯坦不愿意承认广义相对论的这个预言，他认为恒星将在某一个最终状态安定下来。

霍金霍金在看了彭罗斯的论文后，也在此基础上进行了理论研究。他的研究进一步指出，彭罗斯定理也适合于整个宇宙。宇宙在引力作用下，最后也会坍缩为一个奇点。如果将时间反演，宇宙则是从奇点开始的。

与数学不能处理无穷大数的奇点一样，广义相对论也不能处理自己所预言的宇宙奇点，也就是说，广义相对论在宇宙奇点失效了，它不能告诉我们宇宙是如何开始的。

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