宇宙奇点

更新时间:2024-07-03 18:51

宇宙奇点(singularityof the universe),是指宇宙引力大坍缩灭亡的“0”维空间的点,也是宇宙大爆炸诞生的“0”维空间的点。在奇点宇宙没有空间,宇宙半径尺趋近于零。奇点是一个密度无限大,热量无限大,温度无限高,压力无限大,时空曲率无限大,体积无限小的“点”。在奇点宇宙处于高密高温高压的可逆动态热平衡“0”维空间状态,宇宙引力能量和宇宙斥力能量瞬间先后处于无穷大

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。

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。

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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