宇宙起源于奇点大爆炸,那么奇点外面是什么?
对于这个问题,需要强调的是:
1.奇点不是一个空间上的点。
2.宇宙大爆炸不是从一个点开始的。
奇点首先是一个数学概念,它代表一个数学对象无法处理的点。比如,在这个点上的值,数学上没有定义。考虑函数f(x)=1/x,在点x=0处,它的值是无穷大,而无穷大在数学上不是一个有定义的值,所以x=0就是函数f(x)=1/x的奇点。
认为宇宙是从一个无限小的点爆炸而来的观点,就是对奇点这个概念的误解所致。那么,大爆炸理论中的奇点是什么意思呢?
美国天文学家埃德温 哈勃在观测遥远星系的时候,发现它们都在远离我们而去,而且距离我们越远的星系,远离我们的距离越快。如果我们用广义相对论让时间回放,不难得出,在有限的时间(137亿年)以前,宇宙处于一个密度和温度都极高的状态。在这种状态下,广义相对论和其他已知的物理定律都失效了,所以,我们把这种状态叫作大爆炸的奇点。
如题目中所说的“一个无限热,无限紧密,无限小的点爆炸了"这样不准确地表达无疑大大帮助了这种误解的扩散。事实上,如果我们把时间回放到137亿年以前,整个可观察宇宙(observable universe)确实在一个体积极小的点内,甚至远远小于一个质子。但是,可观察宇宙并不等于整个宇宙,它只是宇宙的一部分。在宇宙的生命中,从这部分宇宙发出的光线有足够时间到达地球。真正的宇宙远远大于可观察宇宙。在很多时候,人们往往混用“宇宙”和“可观察宇宙”这两个概念,因为对我们来说,可观察宇宙以外的部分是我们永远不可触及的,对我们来说没有意义。
根据目前的理论和观察,宇宙很可能是无限大的。一个无限大的宇宙,无论如何收缩,也无法在有限的时间内变成有限大小。所以,在大爆炸的时刻,宇宙很可能就是无限大的。
而一个无限大的宇宙,仍然可以继续膨胀,它只需要膨胀到它到自己里面去就行了
那么,大爆炸为什么会导致物理理论出现奇点呢?先来看看现有的物理理论可以带我们走到哪一步。
1. 电弱年代(Electroweak Era)
回溯到大爆炸后10^-32秒,整个可观察宇宙的大小和一粒沙差不多。这时的宇宙温度在开尔文以上,希格斯场无法给予基本粒子静质量(质量是什么?- Mandelbrot 的回答),所以所有的粒子的静质量都是零,它们都以光速运动。这时,弱相互作用力和电磁力结合成为电弱力(electroweak force),而这个阶段被称为电弱年代(Electroweak Era)。
在这个阶段,我们现有的物理理论很完善。我们甚至可以在强子对撞机中产生这样的温度,并且由此验证电弱力理论。
2. 大统一年代(Grand Unified Era)
回溯到大爆炸后10^-36秒,宇宙的温度达到10^27开尔文。在这样的高温下,强相互作用力也会和电弱力结合。有很多理论研究这三种基本力的合并,这些理论被称为大统一理论(Grand Unified Theories),而这个阶段被称为大统一年代(Grand Unified Era)。
然而,和电弱力理论不一样的是,这些理论目前无法验证,因为我们的强子对撞机无法提供足够的能量。要验证大统一理论,要求强子对撞机提供现有能量的1000亿倍。也许我们需要更大型的环日对撞机,也许这是对撞机这种方法的死胡同。
3. 普朗克年代(Plank Era)
回溯到大爆炸后10^-43秒,整个可观察宇宙小于普朗克长度。这个阶段被称为普朗克年代(Plank Era)。广义相对论预言四大基本力都会合并。然而,在这个尺度上,描述时空和引力的广义相对论遭遇到了它自己的奇点。描述微观尺度需要量子力学,然而,广义相对论与量子力学是冲突的。要解决这种冲突,我们需要一种新的理论——量子引力,或者说,万有理论(Theory of Everything)。超弦理论(String Theory)就是其中的一个有力竞争者。
所以,奇点是现有物理理论的奇点。而在新的理论中,我们将会有能力回答更多的问题,现在看到的奇点就会消失。
另外,应该注意到的是,大爆炸理论只是根据宇宙膨胀而推测出来的宇宙在过去发生的事情,它本身不能回答大爆炸是怎么发生的,或者为什么会发生,更不能让你看到大爆炸以前。而要回答这些问题,需要其他的理论,有的处于假说阶段,有的得到了部分验证,而有的还是空白。
由于奇点的存在,今天你向宇宙大爆炸提出的问题,很多是没有答案的。但是,这些问题在将来,我相信都能得到满意的回答。
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