宇宙大爆炸与奇点理论

2018-05-05闻新

太空探索 2018年5期

文/ 闻新

宇宙大爆炸理论（The Big Bang Theory）是现代宇宙学中最有影响的一种学说。它认为，宇宙是由一个致密炽热的奇点于约150亿年前一次大爆炸后膨胀形成的。1927年，比利时天文学家和宇宙学家勒梅特首次提出了宇宙大爆炸假说。1929年，美国天文学家哈勃根据假说提出星系的红移量与星系间的距离成正比的哈勃定律，并推导出星系都在互相远离的宇宙膨胀说。1946年美国物理学家伽莫夫正式提出大爆炸理论。

▲ 艺术家笔下的宇宙大爆炸

大爆炸理论认为宇宙曾有一段从热到冷的演化史。在这个时期里，宇宙体系在不断地膨胀，使物质密度从密到稀地演化，如同一次规模巨大的爆炸。爆炸之初，物质只能以中子、质子、电子、光子和中微子等基本粒子形态存在。宇宙爆炸之后的不断膨胀，导致温度和密度很快下降。随着温度降低、冷却，逐步形成原子、原子核、分子，并复合成为通常的气体。气体逐渐凝聚成星云，星云进一步形成各种各样的恒星和星系，最终形成今天的宇宙。

目前大部分科学家都支持宇宙大爆炸的理论。宇宙爆炸源于一个奇点，但有趣的是到目前为止，人类对于这个奇点还是一无所知，包括它的形成，以及爆发的诱因。

奇点理论的诞生

1965年，英国科学家彭罗斯发表著名论文《引力坍塌和时空奇点》，与霍金共同创立了现代宇宙论的宇宙奇点理论。后来，霍金与彭罗斯一道将奇点的存在性证明推广到早期宇宙。

▲ 著名物理学家霍金

霍金-彭罗斯奇点定理：一个时空若充满以下条件，就必定存在奇点：

1.强能量条件成立。

2.一般性条件成立。

3.满足时序条件。

4.以下三个条件之一成立：

①存在封闭陷获面；

②存在紧致无边非时序点集；

③存在一点，通过该点的所有未来（或过去）方向的类光测地线束的膨胀标量最终将变为负值。

宇宙奇点理论指出，宇宙的最初是奇点，然后发生大爆炸，接着由于大爆炸的能量而形成了一些基本粒子。这些基本粒子又在能量的作用下，逐渐形成了宇宙中的各种物质，这就是目前最有说服力的宇宙图景理论。

最著名的奇点是黑洞里的奇点，以及宇宙大爆炸处的奇点。在奇点处，所有定律以及可预见性都失效。奇点可以看成空间时间的边缘或边界。只有给定了奇点处的边界条件，才能由爱因斯坦方程得到宇宙的演化。

用奇点区分时间的过去和未来

▲ 彭罗斯

彭罗斯认为，人们至今还没有了解奇点理论，并且认为该理论应该可以区分时间的过去和未来。而且，宇宙的创造及结束，由于时间参差不齐的情况而有所不同。

最初的时候，时空是在整齐均衡、顺畅自然的状态下产生的；可是到了最后，却成了满是黑洞的时空。它们之间的不同，归根到底全都是由时间箭头造成的，也就是所谓的时空也是上了岁数了，逐渐变得老化凋零了。

不管怎样，时间箭头的起源在于，我们的宇宙是在非常特别的状态下产生的。至于它的理由究竟是什么，很遗憾，至今仍没有完整的答案。

宇宙大爆炸之前的奇点

宇宙是由一个奇点爆炸而产生的，宇宙还没爆炸之前的奇点是什么?

大爆炸理论是这样描绘的：宇宙是由“奇点”诞生而来。“奇点”是一个温度和密度奇高的神奇小点，在约150亿年前，“奇点”突然爆发，从而形成了现在这个宇宙。这个“奇点”被描绘成体积为零、时间停顿的“点”。

按照彭罗斯的观点，我们的宇宙膨胀就意味着所有的质量最终都会转化为能量，到那个时候，时间和空间的概念就荡然无存了。因此，一个无限大的宇宙可能只是下一个宇宙的起源时一个无限小的点。如此不断循环，周而复始。

目前很多科学家持有这样的观点：时间和空间并不是在大爆炸后才存在的，大爆炸只是开启了收缩发生前的一段纪元，宇宙的演化可能是循环的，由扩张和收缩这两种周期在规律地重复着。

▲ 时间箭头形成了宇宙的最初图景

▲ 不断循环和周而复始的宇宙

按照霍金的观点，大爆炸以前没有时间和空间。在“大爆炸”之前的瞬间，宇宙是一个“豌豆”状的微小物体，它悬浮于一个没有时间的空间内，这个空间经历了迅速扩张，这种扩张被称作“膨胀”的时期。这种扩张发生在宇宙“大爆炸”之前极为短暂的一瞬间。

高密度下的爆炸

宇宙创生的那一时刻，即奇点存在的那一时刻，宇宙体积为零，也是就是说，在那样的宇宙初期还没有出现星系，即使是星系都重叠在一起我们也很难想象。在宇宙初期，非常小的领域内确实存在超出人类想象力的高密度状态。

宇宙就是在这种高密度的状态下发生爆炸的，也就是“Big Bang”。宇宙大爆炸理论，是根据天文观测研究后得到的一种设想。大约150亿年前，宇宙所有的物质都高密度集在一点，有着极高的温度，因而发生了巨大的爆炸。大爆炸后，物质开始向外大膨胀，就形成了今天我们看到的宇宙。

▲ 大爆炸宇宙模型

关于宇宙大爆炸有两种假设：第一是爱因斯坦提出的，能正确描述宇宙物质的引力作用的广义相对论；第二是所谓宇宙学原理，即宇宙中的观测者所看到的事物既同观测的方向无关也同所处的位置无关。这个原理只适用于宇宙的大尺度上，而它也意味着宇宙是无边的。宇宙的大爆炸源不是发生在空间的某一点，而是发生在同一时间的整个空间内。有这两个假设，就能计算出宇宙从某一确定时间起始的历史，而在此之前，何种物理规律在起作用至今还不清楚。