关于宇宙的起源,我们平时听得最多的应该就是“大爆炸理论”(The Big Bang Theory),我们一般都会将其理解为,一个体积极小、密度和温度都极高的奇点,在137亿年前发生了无与伦比的爆炸,并在随后的膨胀过程中渐渐演化成了现在的宇宙。
“大爆炸理论”是目前科学界认同度最高的理论,但要让我们去理解这个理论却并不容易,其中最让人困惑的就是,137亿年前,宇宙大爆炸时的奇点到底有多小?奇点的外面是什么?今天我们就来讲一下。
奇点这个概念来自于数学,它是指让数学表达式没有意义的点,比如说在 f(x) = 1/x 中,“x = 0” 就是这个数学表达式的奇点。因此我们也可以将数学中的奇点理解为,一个在数学中无法处理的点,同样的道理,所谓宇宙大爆炸时的奇点,其实是指在物理学中无法处理的点。
人们长期以来对宇宙的观测数据表明,宇宙是处于一个加速膨胀的状态,科学家根据这一现象,利用现有的物理理论对其进行时间回溯,试图从中找到关于宇宙的一切答案。那么现在的科学家已经将宇宙回溯到哪个时间段了呢?答案就是宇宙大爆炸后的 10^-43 秒(普朗克时间)。
科学家将大爆炸后的 10^-43 至 10^-35 秒这段时间,称为“大统一年代”(Grand Unified Era),这个时间段里,宇宙的温度高达 10^27 至 10^32 开尔文,在如此高的温度下,除了引力之外的三种基本力(强力、电磁力以及弱力)是全都合并在一起的(这符合现代物理学中相关理论的描述,并已在实验中得到部分验证)。
非常遗憾的是,“大统一年代”就是现代物理学的相关理论能够描述的极限了,因为在大爆炸后的 10^-43 秒之前,整个可观测宇宙都在普朗克长度(约为 1.6 x10^-35 米,现代物理学意义的最小长度)以下,根据广义相对论的预言,在这样的尺度下四大基本力会合而为一,然而现在并没有任何的理论能够合理地描述这一现象。
简单地讲,就是在回溯宇宙的过程中,现代物理学的解释是有一个极限的,而这个极限所描述的点,就是宇宙大爆炸的奇点。因此我们可以清楚地看到,宇宙大爆炸的奇点不是位于空间中的一个点,而是宇宙在过去的时间里所处的一个状态。有了以上的认识,我们就可以来回答上述的两个问题了。
一、宇宙大爆炸时的奇点到底有多小?