如果說宇宙誕生於奇點,那奇點有多大?奇點外面又是什麼?

2023-06-09     魅力科學君

原標題:如果說宇宙誕生於奇點,那奇點有多大?奇點外面又是什麼?

關於宇宙的起源,有一種常見的描述就是:宇宙誕生於一個溫度極高、密度極大的奇點,在大約138億年前,這個奇點發生了一次大爆炸,隨後一直持續在膨脹,並逐漸演化成現在我們所看到的宇宙。這種描述不免會令人感到困惑,如果說宇宙誕生於奇點,那這個奇點有多大?奇點外面又是什麼呢?下面我們就來討論一下這個話題。

前文提到的關於宇宙起源的描述,其依據是「大爆炸宇宙論」,這是目前科學界認同度最高的理論,該理論的提出最初始於一個客觀存在的現象,即:我們所看到宇宙一直在膨脹。

據此我們就可以推測出,隨著宇宙膨脹的持續,宇宙的物質密度在未來也會不斷地變低,溫度也會隨之越來越低,反過來講,在過去的某一時刻,宇宙的物質密度和溫度就會比現在更高,而如果我們一直將時間回溯,就像將一部影片倒放一樣,那麼宇宙就會不斷地收縮,其物質密度和溫度就會越來越高。

利用時間回溯的方法,我們就可以推測出宇宙在過去是什麼樣子,但在時間回溯的過程中,我們還需要描述宇宙在過去的不同時間段的狀態,這就需要理論的支持。

然而當我們把時間回溯到大約138億年前的某個時間點,宇宙的狀態就無法用任何已知的理論來進行描述了,如此一來,繼續回溯時間也就沒有了意義,而宇宙的這種狀態就是「大爆炸宇宙論」中的奇點。

這裡需要簡單解釋一下,「奇點」其實是一個來自數學的概念,它指的是能夠讓某個數學表達式沒有意義的「點」,舉個例子,在「x = 1除以y」這個數學表達式中,「y = 0」就是它的奇點。

也就是說,「大爆炸宇宙論」中的奇點,並不是指位於空間中的某個一特定的「點」,而是指宇宙所處的一種狀態,所以「奇點有多大」這個問題,其實可以更準確地表述為:「處於奇點狀態時的宇宙有多大」,而「奇點外面是什麼」這個問題,也應該更準確地表述為:「處於奇點狀態時的宇宙的外面是什麼」。

在現代物理學中,時間和空間都是不能無限拆分的,它們都有一個極限值,分別稱為普朗克時間和普朗克長度,這兩個極限值都非常小,前者約為10的負43次方秒,後者約為1.6乘以10的負35次方米。

根據現有的理論,科學家只能將宇宙的過去回溯到「大爆炸」發生之後的1普朗克時間,因為在此之前,整個可觀測宇宙的尺寸都在普朗克長度以下,以至於現有的理論根本就無法對其狀態進行描述,又或者說,此時所有已知的理論都失去了意義(這正是奇點出現的原因之一)。

由此可見,在遙遠的過去,當宇宙在處於奇點狀態時,可觀測宇宙的體積是非常小的,甚至比質子還要小得多,但需要知道的是,可觀測宇宙其實是指我們人類能夠觀測到的宇宙範圍,它只是宇宙的一部分而已。

那麼問題就來了,當宇宙在處於奇點狀態時,整個宇宙有多大呢?要回答這個問題,我們需要知道現在的宇宙有多大。

根據宇宙學原理,在宏觀的尺度下,在宇宙中任意一個位置上觀測,所觀測到的物理規律以及物理量都是相同的,而根據已知的觀測數據,宇宙的曲率應該是無限趨近於零,這就意味著,現在我們所看到的宇宙,很可能是無限大

正如前文所言,「大爆炸宇宙論」中的奇點出現在大約138億年前,這是一個有限的時間,很明顯,在有限的時間裡,一個無限大的物體無論怎麼收縮,也不可能收縮成一個有限的體積。所以一個合理的推測就是,如果現在的宇宙是無限大的,那麼處於奇點狀態時的宇宙也是無限大。

另一方面來講,一個無限大的物體,是沒有「外面」這個概念的,所以在這種推測成立的情況下,我們也可以進一步推測出,處於奇點狀態時的宇宙,根本就沒有「外面」可言。當然了,這只是根據現有的觀測數據以及相關理論給出的一種推測,期待隨著科學的發展,未來的我們能夠找到更好的答案。

文章來源: https://twgreatdaily.com/zh-tw/6d8014b6b86229e59d07a3dc64d52dc6.html