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    宇宙大爆炸并没有奇点出现?你认为有奇异点吗?

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      爱因斯坦

      138.17亿年前宇宙大爆炸时亦是我们这个宇宙的开端,是时间的起点,空间的起点,万物的起点,以纯能量开始的宇宙从无到有创造了无数宇宙奇迹,当然更奇迹的我觉得莫过于地球生命!几乎每个人都听说过宇宙大爆炸理论的故事,但是如果你问任何人,从一个普通人到一个宇宙学家,会得到很多不同的答案。其中最常见的一种是“奇点”,奇点指的是宇宙中所有物质和能量都集中在一个点上的瞬间。

      宇宙大爆炸并没有奇点出现?你认为有奇异点吗?

      从宇宙大爆炸到现在,在宇宙膨胀的背景下,宇宙历史的一个例证,在热大爆炸之前,宇宙处于暴胀状态,但所有这些都必须在奇点之前,这一观点已经过时了。图片:NASA / WMAP SCIENCE TEAM

      博科园-科学科普:宇宙的温度、密度和能量将是任意的,无限大的,甚至可以与时间和空间本身的诞生相一致。但这(上图)张照片不仅是错的,而且已经快40年了!可以说,并没有出现与大爆炸有关的奇异现象,甚至可能根本就没有空间和时间的诞生,这是我们知道的以及我们是如何知道的。

      宇宙大爆炸并没有奇点出现?你认为有奇异点吗?

      GOODS-North研究中心在图中展示了迄今为止观测到的一些最遥远星系,其中很多星系我们已经无法到达,当我们观察越来越远的距离时,发现由于宇宙的膨胀,越来越远的星系似乎正以越来越快的速度从我们身边退去。图片:NASA, ESA, AND Z. LEVAY (STSCI)

      当观测今天的宇宙时,看到宇宙在各个方向不同的距离上都充满大量的星系。平均来说,也发现星系越远,它就越快从我们这里消失。这不是由于各个星系通过空间的实际运动所致;这是因为空间本身的结构正在膨胀。这是1922年由亚历山大弗里德曼首次提出的广义相对论预测,并在20世纪20年代由埃德温-哈勃和其他人的研究证实。这意味着,随着时间的推移,宇宙内部的物质扩散开来,密度降低,因为宇宙的体积增加了。这也意味着,如果我们回顾过去,宇宙会变得更密集、更热、更均匀。

      宇宙大爆炸并没有奇点出现?你认为有奇异点吗?

      如果一直往前推断,会得到更早,更热,更密集的状态,这是否最终导致了奇点出现?物理定律本身在奇点中失效?图片:NASA / CXC / M.WEISS

      如果把时间推得越来越远,会开始注意到宇宙的一些重大变化:

      1、将会进入这样一个时代:引力没有足够的时间把物质拉进足够大的团状物以形成恒星和星系

      2、会发现宇宙是如此的热以至于不能形成中性原子

      3、在其中甚至原子核都被炸开

      4、物质-反物质对会自发形成

      5、单个质子和中子会被分解成夸克和胶子

      宇宙大爆炸并没有奇点出现?你认为有奇异点吗?

      奇点是传统物理学崩溃的地方,然而在宇宙中实现任意的热、密集的状态是有后果的,而且它们中的许多不能满足观测。图片:2007-2016, MAX PLANCK INSTITUTE FOR GRAVITATIONAL PHYSICS, POTSDAM

      每一步都代表着宇宙的年轻、更小、密度更大、温度更高的时候。最终,如果继续倒推,会看到这些密度和温度上升到无限的值,因为宇宙中所有的物质和能量都包含在一个点:奇点。正如最初设想的那样,大爆炸不仅是一种炽热、密集、膨胀的状态,而且代表了物理定律崩溃的瞬间。这是空间和时间的诞生:一种让整个宇宙自发形成的方式。这是创造的终极行为:与宇宙大爆炸相关的奇点。

      宇宙大爆炸并没有奇点出现?你认为有奇异点吗?

      今天看到的恒星和星系并不总是存在的,而我们离得越远,宇宙就越接近一个明显的奇异点,但这种推断是有限度的。图片:NASA, ESA, AND A. FEILD (STSCI)

      然而如果这是正确的,并且宇宙在过去已经达到了任意的高温,那么今天就可以观察到一些清晰的信号。在大爆炸余辉中会有温度波动,会有非常大的振幅。波动会受到光速的限制,它们只会出现在宇宙视界的尺度上,而且更小。在早期会有剩余的高能宇宙遗迹,比如磁单极子。然而温度波动仅仅是1/30000,比单一大爆炸预测的小几千倍。超视界的波动是真实的,由WMAP和普朗克证实。磁单极子和其他超高能物质的限制非常紧密。这些缺失的特征蕴含着这样的含义:宇宙从未达到过这些任意高的温度。

      宇宙大爆炸并没有奇点出现?你认为有奇异点吗?

      宇宙微波背景波动是如此之小,如此特别的模式,它们强烈地表明宇宙开始时各处的温度都是一样,只有1 / 30000的波动,这一事实与任意的热大爆炸是不协调的。图片:ESA AND THE PLANCK COLLABORATION

      相反,一定有一个界限,我们不能武断地推后到遥远的地方,到一个热和稠密的状态,达到所能预想的任何能量,有多远仍然有效地描述宇宙是有限度的。在20世纪80年代早期,有理论认为,在宇宙还没有热、稠密、膨胀、冷却、充满物质和辐射之前,宇宙就在暴胀。宇宙暴胀的一个阶段意味着宇宙是:

      1、充满了空间本身固有的能量

      2、导致了快速的,指数级的膨胀

      3、使宇宙变得平坦

      4、赋予了在任何地方都有相同的属性

      5、小振幅的量子涨落

      6、延伸到所有尺度(甚至超级视界)

      最后宇宙暴胀结束。

      宇宙大爆炸并没有奇点出现?你认为有奇异点吗?

      宇宙暴胀使空间呈指数增长,这很快就会导致任何预先存在的弯曲或非光滑的空间显得平坦。如果宇宙是弯曲的,它的曲率半径至少比我们所观测到的要大上百倍。图片:E. SIEGEL (L); NED WRIGHT’S COSMOLOGY TUTORIAL (R)

      当发生的时候,会把之前空间固有的能量转化成物质和辐射,从而导致热大爆炸。但不会导致一个任意的热大爆炸,而是一个达到了最大温度的最大值,比奇点可能出现的尺度要小上百倍。换句话说,导致了一场由宇宙暴胀状态产生的大爆炸,而不是一个奇点。

      在可观测宇宙中存在的信息,可以获取和测量,只对应于最后10^-33秒的暴胀,以及随后发生的一切。如果你想问暴胀持续了多久,那我们根本不知道。它至少持续了10-^33秒,但它是否持续了更长的时间,或者是无限长的时间,这不仅是未知的,而且是不可知的。

      宇宙大爆炸并没有奇点出现?你认为有奇异点吗?

      整个已知宇宙的历史表明,我们应该知道宇宙中所有物质的起源,以及所有的光,最终是暴胀的结束和热大爆炸的开始。从那时起宇宙经历了138亿年的宇宙演化,这一图景得到了多种来源的证实。图片:ESA AND THE PLANCK COLLABORATION / E. SIEGEL (CORRECTIONS)

      那么引发暴胀原因是什么呢?关于它有大量的研究和推测,但是没有人知道。没有证据可以证明;没有我们能观测到的观测结果;没有我们能做的实验。有些人(错误地)说了类似的话:在了解通货膨胀之前,有了一个巨大的爆炸奇点,形成了一个热,稠密,膨胀的宇宙,而暴胀仅仅代表了一个中间阶段。因此顺序是这样的:先奇点,中间暴胀,最后热大爆炸。甚至有一些由顶级宇宙学家制作非常著名的图表来解释这幅图景,但这并不意味着这是正确的。

      宇宙大爆炸并没有奇点出现?你认为有奇异点吗?

      这是由暴胀结束引起的密度(标量)和引力波(张量)波动的图解。但注意,假设在暴胀之前存在一个奇点并不一定有效。图片:NASA, JPL, KECK FOUNDATION, MOORE FOUNDATION, RELATED

      事实上,有很好的理由相信这是不对的!可以从数学上证明,一个暴胀的状态是不可能由奇点产生。原因如下:在暴胀期间,空间以指数速度扩张。想想指数是如何运作的:在一段时间后,宇宙的大小会翻倍。如果时间是原来的两倍,它翻了两倍,是原来的四倍大。再等三倍的时间,它翻了三倍,是原来的八倍大。

      如果是原来10到100倍的时间,那些不确定的东西会使宇宙的大小是2^10或2^100倍。也就是说,如果我们以同样的量,或者两倍,或者三倍,或者10倍或100倍……回到过去,宇宙会变得更小,但永远不会达到0。分别是一半,四分之一,八分之一,2^-10,或2^-100倍……于原来的大小。但无论如何缩小,都无法达到奇点。

      宇宙大爆炸并没有奇点出现?你认为有奇异点吗?

      蓝色和红色的线代表了“传统的”大爆炸场景,所有的一切都从时间t=0开始,包括时空本身。但是在暴涨的情况下(黄色),永远不会到达一个奇异点,在这个奇异点上空间会变成一个奇异的状态;相反它只能在过去变得任意小,而时间则是无限。图片:E. SIEGEL

      宇宙学有个著名的理论,表明暴胀状态是不完整的。很明显这意味着,如果有任何粒子存在于膨胀的宇宙中,如果回溯时间,它们最终会相遇。然而这并不意味着一定有一个奇点,而是说,通货膨胀并不能描述宇宙历史中发生的一切,就像它的诞生一样。我们也知道,例如暴胀不能从单一状态产生,因为暴胀区域必须总是从有限的大小开始。

      宇宙大爆炸并没有奇点出现?你认为有奇异点吗?

      时空本身在量子尺度上的波动在暴胀期间在宇宙中被拉伸,导致密度和引力波的缺陷。暴胀是否起源于最终的奇点,目前还不得而知。图片:E. SIEGEL, WITH IMAGES DERIVED FROM ESA/PLANCK AND THE DOE/NASA/ NSF INTERAGENCY TASK FORCE ON CMB RESEARCH

      每当你看到一个图表、一篇文章或一个故事谈论“大爆炸奇点”或任何一种在暴胀之前存在的大爆炸/奇点,你就会知道你正在处理的是一种过时的思维方式。大爆炸奇点的概念在我们意识到有一个不同的状态(暴胀状态)之前并建立了热大爆炸早期的,热和密集的状态之后就消失了。可能在空间和时间的一开始就有一个奇点,之后就会出现宇宙暴胀,但这并不能保证。在科学中,有一些我们可以测试、测量、预测、确认或反驳的东西,就像一个引发热大爆炸的宇宙暴胀状态,还有其他的吗?

      博科园-科学科普|文:Ethan Siegel/Forbes Science/S.W.A.B

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