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4.神秘的奇点:时间在这里开始或终结

广义相对论的数学模型能计算得出时间具有开端或终结的解,这为物理学家提供了新的思考方向。或许宇宙中的大部分物质都从一个点中涌出,这样的拥有无限密度的点就是奇点。


两种观点

关于时间是否存在开端或终结,在科学界一直存在着两种不同的观点。一方面,许多理论物理学家认为,从时间维度讲,无论过去还是将来,时间在两个方向都必须是无限的,否则就会引起有关宇宙创生的令人不安的问题。长久以来,人们似乎对宇宙创生这一问题感到棘手,人们更愿意回避这个问题,而不是正面去求证或解答。

有关时间的两种思考

另一方面,一些物理学家通过广义相对论的数学模型求解,得出时间具有开端或者终结。虽然这些解都是非常特殊的,具有大量的对称性,但是这也说明,纯粹客观的数学模型,正在试图证明时间也有“界限”。

重叠的星系

哈勃空间望远镜观测到宇宙一直处于不断膨胀中,这说明过去的宇宙比现在的小。我们以两个星系为例,根据哈勃定律向若干亿年前推演,时间越往前推,它们之间的距离越短,相对远离的速度越慢。当这个值达到极限的时候,它们之间远离的速度就变为0,之间的距离也变为0。也就是说,在久远的时间以前,这两个星系是重叠在一起的。

我们继续丰富想象力,把这种推演从单一的两两重叠,推进到宇宙中任意星系之间的重叠上。这就像人们在看电影时的倒带过程,当时间向过去延伸的时候,星系之间的运动是相互趋近式的。而且时间越早,它们之间的距离越短,靠近的速度越小。当向前推进的时间达到无限大的时候,所有的星系都会重叠在一起。

宇宙历史的胶片电影

假如宇宙历史可以被胶片拍摄成一部完整的电影,通过倒带播放,我们便可清晰地看到宇宙的形成。科学家也就可以停止无休止的猜测和争论了。

什么是奇点

物理学上的奇点,多见于描述黑洞中的情况。广义相对论中,黑洞内部有一个奇点,在这一点上密度和曲率是无穷大的。大爆炸宇宙论认为,大爆炸的时候有一个初始奇点,大坍缩的时候有一个终结奇点,密度和曲率也都是无穷大的。实际上,奇点在广义相对论中是个很严重的问题,因为绝大多数时空模型都有奇点。

黑洞里的奇点

引力奇点是大爆炸宇宙论所说的一个“点”,即“大爆炸”的起始点。该理论认为宇宙是从这一“点”的“大爆炸”膨胀而形成的。奇点是一个密度无限大、时空曲率无限大、热量无限高、体积无限小的“点”,一切已知物理定律均在奇点失效。

当时苏联的一些科学家认为,奇点其实是我们把对称性想得太好造成的。例如,黑洞中心有一个奇点,是因为我们把黑洞想象成星体做精确的球对称坍缩时形成的,结果就缩成一个点。但是,如果一个不是很标准的完美球对称坍缩为奇点的话,星体中的物质就会从中间交叉错过去,也就不会形成奇点。因此,苏联的一些科学家认为,奇点是一个偶然的现象,只不过因为我们把对称性想象得太美好才出现的。

奇点与时间

英国物理学家彭罗斯不同意苏联科学家的观点,他提出一个新的概念,即奇点是时间开始或结束的地方。白洞里面的奇点是时间开始的地方,黑洞里面的奇点是时间结束的地方;宇宙大爆炸的初始奇点是时间开始的地方,大坍缩奇点则是时间结束的地方。

彭罗斯针对这个定义证明:一个合理的物理时空,如果因果性成立,有一点儿物质,等等,在这些合理的条件之下,时空至少有一个奇点。或者说至少有一个过程,时间是有开始的,或者是有结束的,或者既有开始又有结束。

彭罗斯将奇点和时间联系在一起,是一个重要的创举。这意味着物理学不再局限于科学领域,而是与哲学和神学相互融合,对一些最本质的问题进行研究和探讨。

奇点理论

彭罗斯认为,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。 hhsKSAep66RvPZ6VTmCoJMnt2swTYnMSi1v8eAV+3w6u0RH1FiEPSfRMCA/OlryL

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