宇宙起源于奇点大爆炸，那么奇点外面是什么？

发布者：隔水望伊人 2023-1-16 01:44

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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