基本介紹
- 中文名：宇宙奇點
- 外文名：singularity of the universe
- 學科：天文學
- 類別：天文基礎術語
- 概念：宇宙中一個沒有大小的點
- 概論：廣義相對論
定義,性質,起源,科學探究,
定義
弗里德曼根據廣義相對論，總計算出三類膨脹宇宙模型。不管哪一類膨脹宇宙模型，在開始時，星系之間的距離為零，物質、時間和空間都捲曲成一個沒有大小的點。因而，宇宙的物質密度，以及時空曲率都是無窮大的。在數學上，這樣的點叫做“奇點”。宇宙中這個點被稱為“宇宙奇點”。宇宙奇點正是廣義相對論所預言的。
性質
奇點是現代宇宙科學中的一個未被真正了解卻又無法迴避的天體，其物理屬性已經超過了現有物理學的研究範疇。其實，根據廣義相對論物質使時空彎曲的觀點，可以直接推論出宇宙奇點，因為當物質引力無限大時，可使時空曲率變得無限大。
起源
1948年，喬治·伽莫夫發表了《大爆炸宇宙論》一文章，他認為宇宙起源於一次大爆炸，並作出了一個驚人的預言：宇宙的熱的早期輻射（以光的形式）今天還應在周圍存在，但其溫度已被降低到5k。理論預言後被彭齊亞斯和威爾遜於1965年證實。伽莫夫的《大爆炸宇宙論》主要從大爆炸1秒鐘討論起的。他未能論述是什麼力量使宇宙發生大爆炸的？那宇宙的第一推動力是怎樣的？從廣義相對論的理論看，當時空等於零時，是宇宙的最小條件，這時宇宙出現一個奇點。奇點處宇宙體積為零，物質密度、奇點溫度、時空曲率都出現了無窮大。這些都是現代物理定律無法解釋的。
科學探究
哈勃發現星系紅移
1929年哈勃發現的星系紅移，成為膨脹宇宙的第一個證據。史蒂芬-霍金指出，宇宙膨脹的發現，是20世紀的偉大智力革命之一，它徹底地改變了有關宇宙起源的討論。如果星系在相互離開，它們在過去必然更加接近，根據現在的膨脹率，在100～150億年前它們是擠在一起的。
愛因斯坦一德西特模型
1932年，愛因斯坦與德西特放棄他們各自的“靜態宇宙模型”，而聯手建立了沒有宇宙常數的新的宇宙模型，即“愛因斯坦一德西特模型”。在這個用廣義相對論基本方程構造出來的簡單宇宙模型中，明確指出宇宙在膨脹，並且暗示在很久以前有一個確定的“創世事件”存在。在這個事件中，宇宙從一個數學上無窮大的“奇點”創生出來。
彭羅斯定理
1965年，彭羅斯從理論上證明，老年恆星在自己的引力作用下收縮(專業叫法為“坍縮”)，其表面積最後會縮小到零。這樣，其體積當然為零。體積為零，其物質密度、時空曲率也就無限大。這正是奇點。彭羅斯指出，任何坍縮必須終結於一個奇點。他的理論被稱為“彭羅斯定理”。彭羅斯定理雖然是以廣義相對論為基礎的，但愛因斯坦不願意承認廣義相對論的這個預言，他認為恆星將在某一個最終狀態安定下來。
霍金
霍金在看了彭羅斯的論文後，也在此基礎上進行了理論研究。他的研究進一步指出，彭羅斯定理也適合於整個宇宙。宇宙在引力作用下，最後也會坍縮為一個奇點。如果將時間反演，宇宙則是從奇點開始的。
與數學不能處理無窮大數的奇點一樣，廣義相對論也不能處理自己所預言的宇宙奇點，也就是說，廣義相對論在宇宙奇點失效了，它不能告訴我們宇宙是如何開始的。
