奇點(diǎn)可以發(fā)生在任何地方，它們?cè)谖锢韺W(xué)家用來(lái)理解宇宙的數(shù)學(xué)中出奇地普遍。簡(jiǎn)而言之，奇點(diǎn)是數(shù)學(xué)“行為不端”的地方，通常是生成無(wú)限大的值。物理學(xué)中有很多數(shù)學(xué)奇點(diǎn)的例子：比如當(dāng)X變?yōu)榱銜r(shí)，1X的值就會(huì)變?yōu)闊o(wú)窮大。

什么是奇點(diǎn)？

在宇宙中的某些地方，我們的物理定律會(huì)崩潰。

要理解奇點(diǎn)是什么，想象一下重力將你壓縮成一個(gè)無(wú)限小的點(diǎn)，這樣你就不會(huì)占據(jù)任何體積。這聽(tīng)起來(lái)不可能……而且確實(shí)如此。這些“奇點(diǎn)”在黑洞中心和大爆炸開(kāi)始時(shí)被發(fā)現(xiàn)。

這些奇點(diǎn)并不代表物理上的東西。相反，當(dāng)它們出現(xiàn)在數(shù)學(xué)中時(shí)，它們告訴我們，我們的物理學(xué)理論正在崩潰，我們需要用更好的解釋來(lái)代替它們。

什么是奇點(diǎn)？

奇點(diǎn)可以發(fā)生在任何地方，它們?cè)谖锢韺W(xué)家用來(lái)理解宇宙的數(shù)學(xué)中出奇地普遍。簡(jiǎn)而言之，奇點(diǎn)是數(shù)學(xué)“行為不端”的地方，通常是生成無(wú)限大的值。

物理學(xué)中有很多數(shù)學(xué)奇點(diǎn)的例子：比如當(dāng) X 變?yōu)榱銜r(shí)， 1/X 的值就會(huì)變?yōu)闊o(wú)窮大。

然而，這些奇點(diǎn)中的大多數(shù)通常可以通過(guò)指出方程缺少某些因素來(lái)解決，或者指出在物理上不可能到達(dá)奇點(diǎn)。換句話說(shuō)，它們可能不是“真實(shí)的”。

但是物理學(xué)中存在不能簡(jiǎn)單分辨的奇點(diǎn)。最著名的是引力奇點(diǎn)，即出現(xiàn)在愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論(GR) 中的無(wú)窮大。

在廣義相對(duì)論中，奇點(diǎn)有兩種：坐標(biāo)奇點(diǎn)和真奇點(diǎn)。當(dāng)無(wú)窮大出現(xiàn)在一個(gè)坐標(biāo)系中（記錄時(shí)間和空間分離的特定選擇）但在另一個(gè)坐標(biāo)系中消失時(shí)，就會(huì)發(fā)生坐標(biāo)奇點(diǎn)。

例如，物理學(xué)家卡爾·史瓦西 (Karl Schwarzschild) 將廣義相對(duì)論應(yīng)用于簡(jiǎn)單的球形質(zhì)量系統(tǒng)，例如恒星。他發(fā)現(xiàn)解包含兩個(gè)奇點(diǎn)，一個(gè)在正中心，一個(gè)在離中心一定距離處，今天稱(chēng)為史瓦西半徑。

多年來(lái)，物理學(xué)家認(rèn)為這兩個(gè)奇點(diǎn)都預(yù)示著理論的崩潰，但只要球體的半徑大于施瓦西半徑就無(wú)所謂了。物理學(xué)家所需要的只是讓 GR 預(yù)測(cè)質(zhì)量之外的引力影響。

但是如果一個(gè)物體被擠壓到它自己的史瓦西半徑以下會(huì)發(fā)生什么？然后那個(gè)奇點(diǎn)將在客體之外，這意味著 GR 在一個(gè)它不應(yīng)該的區(qū)域崩潰。

人們很快發(fā)現(xiàn)，史瓦西半徑處的奇點(diǎn)是坐標(biāo)奇點(diǎn)。坐標(biāo)系的變化消除了奇點(diǎn)，保存了 GR 并使其仍然能夠做出有效的預(yù)測(cè)。

引力奇點(diǎn)發(fā)生在何處？

但是球體中心的奇點(diǎn)仍然存在。如果你擠壓一個(gè)物體使其小于其史瓦西半徑，那么它自身的引力就會(huì)變得如此強(qiáng)烈，以至于它會(huì)繼續(xù)自己擠壓，一直擠壓到一個(gè)無(wú)限小的點(diǎn)。

幾十年來(lái)，物理學(xué)家一直在爭(zhēng)論是否有可能坍縮到一個(gè)無(wú)限小的點(diǎn)，或者是否有其他力能夠阻止完全坍縮。

雖然白矮星和中子星可以無(wú)限期地支撐自己，但任何大于太陽(yáng)質(zhì)量六倍的物體都會(huì)有過(guò)量的引力，壓倒所有其他力并坍縮成一個(gè)無(wú)限小的點(diǎn).

什么是裸奇點(diǎn)？

這些就是我們所說(shuō)的黑洞：一個(gè)密度無(wú)限的點(diǎn)，被位于史瓦西半徑的事件視界包圍。事件視界“保護(hù)”了奇點(diǎn)，防止外部觀察者看到它，除非他們穿過(guò)事件視界。

物理學(xué)家長(zhǎng)期以來(lái)一直認(rèn)為，在 GR 中，所有像這樣的奇點(diǎn)都被事件視界包圍，這個(gè)概念被稱(chēng)為宇宙監(jiān)督假說(shuō)——之所以這么命名是因?yàn)橛腥送茰y(cè)宇宙中的某些過(guò)程阻止（或“監(jiān)察”）奇點(diǎn)被可見(jiàn)。然而，計(jì)算機(jī)模擬和理論工作提出了“裸”奇點(diǎn)的可能性。

裸奇點(diǎn)就是這樣：一個(gè)沒(méi)有事件視界的奇點(diǎn)，完全可以從外部宇宙觀察到。這種暴露的奇點(diǎn)是否存在仍然是一個(gè)頗有爭(zhēng)議的話題。

黑洞的中心究竟是什么？

因?yàn)樗鼈兪菙?shù)學(xué)奇點(diǎn)，沒(méi)有人知道黑洞的中心到底是什么。為了理解它，我們需要一個(gè)超越 GR 的引力理論。具體來(lái)說(shuō)，我們需要一種量子引力理論，可以在非常小的尺度上描述強(qiáng)引力的行為。

修改或取代廣義相對(duì)論以取代黑洞奇點(diǎn)的假設(shè)包括普朗克星（一種高度壓縮的奇異物質(zhì)形式）、引力星（一種由奇異引力支撐的薄物質(zhì)殼）和暗能量星（一種奇特的真空能量狀態(tài)，其行為類(lèi)似于黑洞）。

迄今為止，所有這些想法都是假設(shè)性的，真正的答案必須等待量子引力理論。

什么是大爆炸奇點(diǎn)？

假設(shè)廣義相對(duì)論成立的大爆炸理論是宇宙歷史的現(xiàn)代宇宙學(xué)模型。它還包含一個(gè)奇點(diǎn)。在遙遠(yuǎn)的過(guò)去，大約137.7億年前，根據(jù)大爆炸理論，整個(gè)宇宙被壓縮成一個(gè)無(wú)限小的點(diǎn)。

物理學(xué)家知道這個(gè)結(jié)論是錯(cuò)誤的。盡管大爆炸理論從那一刻起在描述宇宙歷史方面取得了巨大成功，就像黑洞一樣，奇點(diǎn)的存在告訴科學(xué)家，這個(gè)理論——同樣是 GR——是不完整的，需要更新。

大爆炸奇點(diǎn)的一種可能解決方案是因果集理論。在因果集理論下，時(shí)空不像 GR 那樣是一個(gè)平滑的連續(xù)體，而是由離散的塊組成，稱(chēng)為“時(shí)空原子”。

在英國(guó)利物浦大學(xué)研究這一主題的物理學(xué)家布魯諾·本托 (Bruno Bento) 說(shuō)，由于沒(méi)有什么比這些“原子”中的一個(gè)更小，奇點(diǎn)是不可能的。

Bento 和他的合作者正試圖用因果集理論取代大爆炸的最早時(shí)刻。

在那些最初的時(shí)刻之后，“在遠(yuǎn)處的某個(gè)地方，宇宙變得足夠大并且‘行為良好’，以至于連續(xù)時(shí)空近似成為一個(gè)很好的描述，GR 可以接管以重現(xiàn)我們所看到的東西。”

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的奇点是什么意思（宇宙中大爆炸奇点是怎么回事）的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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