宇宙在大爆炸前没有时空,更没有物质,那么奇点有温度吗?
时间:2022-07-05 04:28:54 来源:科普之家 作者:时空通讯 栏目:前沿 阅读:74
许多人对宇宙大爆炸前的奇点充满了好奇,但说实话,我们人类是宇宙大爆炸后的产物,只能够了解自己这个时空里面的事情,宇宙大爆炸之前不属于我们这个时空,因为那时候时空还没有出现。因此现在任何理论对宇宙大爆炸前的理解都是一种猜想,并非定论。
现在我们就一起来分享一下目前科学界对宇宙大爆炸前的一些认识。
奇点不但有温度,而且温度无限高。现代理论认为,宇宙中奇点在两个地方出现,一个是宇宙大爆炸之前,宇宙浓缩在一个奇点里;还有一个就是黑洞的所有质量都在中心奇点里。
科学对宇宙奇点性质的描述是:体积无限小,温度无限高,曲率无限大,密度无限大。这四个无限最关键的就是无限小。无限小是什么意思?就是我们无法描述其小,在我们世界可以用“无”来衡量,因为科学界认为奇点本来就不是我们世界的物质,是超时空的东西。
如果一定要想象奇点有多大,1个针尖上都能站立千亿亿个的电子,在它面前就是宏观巨物了。量子力学认为普朗克尺度是人类认知最小的极限,这个极限约1.6x10^-35m,而电子的尺度约为10^-15m,比普朗克尺度大万亿亿倍。而奇点无限小,至少要小于普朗克尺度。
我们现在不去纠缠到底奇点有多小,但我们知道物质质能是守恒的,既然整个宇宙都能浓缩到一个奇点里,而黑洞奇点则至少有3个太阳质量,奇点体积又无限小,那么这个奇点的密度、温度当然就无法衡量,也就是无限大了。
奇点的曲率无限大严格限定在质量相对应的范围。奇点的曲率无限大,就是奇点质量对时空形成的弯曲无限大,表现形式就是引力无限大。但这个无限大是有条件的,就是与质量成正比,质量越大,其无限曲率的范围也就越大。这个范围被科学家们称为“史瓦西半径”,也就是任何物质质量都有一个临界半径特征值,只要物质缩小到这个临界半径以内,就会出现奇异效应,所有物质无限坍缩到中心无限小的奇点上,而在这个半径形成一个无限曲率。
这是德国物理学家、天文学家卡尔·史瓦西,1916年根据爱因斯坦引力场方程发现并论证出来的,因此被称为“史瓦西半径”。其表达式为:R=2GM/c^2,其中R为史瓦西半径值,单位m;G为引力常数,近似值为6.67x10^-11N·m^2/kg^2;M为物体质量,单位kg;c为光速,取值近似30万km/s。
因此所谓奇点的无限曲率就是根据奇点质量限定在其史瓦西半径以内。根据这个公式计算,太阳史瓦西半径约3000m,地球史瓦西半径约9mm。也就是说如果太阳被压缩为奇点,在3000米半径范围内的所有物质,包括光都无法逃脱其引力。
那么宇宙奇点是怎么来的呢?现在量子力学有一个猜想,就是真空零点能理论。这个理论认为,即便宇宙时空尚未出现时,宇宙处于虚空状态,也就是绝对真空,但这种真空还是“假真空”,因为真空中充满了巨大能量。这些巨大能量以不确定性的量子涨落形式,正负虚粒子随机成对出现,又成对正负湮灭消失。
如果这种量子随机涨落永远是均衡对称的,宇宙就不会出现。但杨振宁和李政道的宇称不守恒理论给量子力学和天体物理学封闭的天空撕裂了一道口子,一缕强光照射下来,完全颠覆了人类对宇宙微观世界的认识。
这个理论用数理建模和实验验证告诉人们,宇宙并不是永恒完美对称的,而是会有对称性破缺。也就是说量子随机涨落过程中的正负虚粒子对并不总是百分之百全部相互湮灭,总有那么一些正粒子残留下来,发生了膨胀,这就是宇宙奇点。宇宙奇点从这些破缺残留的正粒子中诞生,并爆炸开来(也可以理解为膨胀开来),逐步冷却,由纯能量转化为今天我们看到的所有物质。
当然,宇宙来源在科学界也还没有一个统一定论,还处于争论中。但我今天说的奇点理论是根据标准宇宙理论,也就是根据大爆炸宇宙模型得到的,是根据爱因斯坦广义相对论和场方程得到的一个真空解,是天体物理学和量子力学主流科学界的共识,并非时空通讯头脑发热胡思乱想在这里乱说。我只是一个传声筒,把科学界的这些常识,通过自己的理解,尽量用自己通俗的语言传达给大家,信不信由你。
很多人完全不信大爆炸宇宙论,也不相信量子力学,但又没有什么依据和理论,只是根据平常的生活逻辑就东拉西扯,就想推翻科学界几百年经过许多代科学家前赴后继观测发现实验,以及数理逻辑建模奠定的宇宙学基础,实在是可笑且自不量力。
科学永远在路上,科学永远也允许质疑,但前提是用科学方法和发现实验为依据。未来会有什么发现,理论会有什么新的突破,现在都不得而知,我们只能遵循已有的发现和理论来说话,这才是科学的态度。
就是这样,欢迎讨论,感谢阅读。
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