宇宙誕生於奇點嗎?並不是,這只是一個方便理解的概念

2020-12-06 李論科學

本文參加百家號科學#了不起的天文航天#系列徵文

宇宙真的誕生於奇點嗎?根據輻射,物質,暴脹不同時期對宇宙膨脹的主導來看,宇宙之前並沒有奇點。這到底怎麼回事呢?

宇宙誕生後到第一個中性原子的形成,覆蓋宇宙最初的38萬年。在這段時間裡,宇宙就像一個巨大的氣球,空間一直在擴張。

有一個問題,那就是宇宙在這段時間是如何膨脹的?這個概念相對簡單,其實就是一句話:宇宙膨脹的速度取決於它的能量密度。體積越小,物質和能量越多,膨脹就越快。這就很好解釋為什麼我們的宇宙空間一開始會暴漲,呈指數增長。

那麼這對我們的宇宙意味著什麼?我們的宇宙大部分時間都在膨脹和冷卻。

如果我們想知道宇宙是如何膨脹的,我們就需要知道宇宙在任何時候的能量密度。組成宇宙的物質有三種,它們在宇宙膨脹的不同時期都很重要。它們是什麼?

1),物質,正常的物質是像你和我,身邊能看到,摸到的任何有質量的東西。當宇宙膨脹時,物質密度就會稀釋。你應該還記得密度就是質量除以體積,所以體積越大,能量越小。

2).輻射。輻射是一種要麼沒有質量,要麼質量很小的物質,就像光子或中微子,它們要麼以光速運動,要麼極其接近光速。但與物質不同的是,當宇宙膨脹時,輻射會失去額外的能量!

我們知道輻射的固有能量由其波長決定。長波光子(如無線電波)比短波光子(如x射線)的能量要少。但是隨著宇宙的膨脹,除了體積的增加(就像對物質一樣),波長也會被拉長。這意味著一個充滿輻射的宇宙比一個同樣充滿物質的宇宙能量損失的更快。

3),一個恆定的能量源。宇宙空間被一種恆定的能量充滿,這種能量不會隨著宇宙的膨脹而稀釋。這種能量不僅發生在我們現在的宇宙中,也發生在宇宙暴脹時期,而且在未來也會一直持續下去!在這種情況下,只要宇宙充滿這種能量,能量密度保持不變,那麼膨脹率也將保持不變,這就是目前掌控我們宇宙的暗能量。

那麼,這對於宇宙的起源意味著什麼呢?我們知道宇宙一直在膨脹和冷卻,我們知道宇宙現在有物質和輻射,我們知道在宇宙開始的時候,有一個恆定的能量來源。下面我要做的是,從現在開始往回推,然後問宇宙是否從奇點開始的?

你可能會說網上的這些圖片都是從一個點看開始的,但我想說的是圖片並不能給出正確的答案。

大約在地球形成的45億年前,暗能量才開始主導的宇宙膨脹,之前都是由物質主導。然而在物質之前,當宇宙只有幾千年(甚至更早)的時候,輻射的能量更大!由於膨脹後波長的額外「拉伸」(上文已將說過),輻射就快速的失去了能量,但在最初的幾千年裡,宇宙主要由輻射能量主導。然後,我們再往前追溯,接近大爆炸到暴脹結束時的那一刻,於是我們就來到了宇宙暴脹時代,宇宙由一個恆定的能量源主宰,並呈指數級膨脹。下面讓我們用圖形來比較一下這三種情況。

很明顯,隨著時間的推移,指數膨脹的宇宙膨脹得最快,物質膨脹得比輻射膨脹得更快。你現在可能看不出這有什麼奇怪之處,那麼就讓我們看看當把宇宙的大小收縮到零時會發生什麼!畢竟零就是奇點的定義,宇宙中所有的物質和能量都集中在一個點上。我們來計算一下,看看能得到什麼。

上圖中想必你已將發現了異樣,一個有物質或輻射的宇宙在t=0時有一個奇點,但是

一個暴脹的宇宙沒有!

事實上,我們可以把暴脹的,指數膨脹的宇宙推回到任意遠的地方,我們會發現什麼?

宇宙永遠不會達到零的大小!如果非要一個暴脹的宇宙有一個奇點,那麼就需要回到無限的負時間!負時間什麼概念,並不清楚,這在物理上也是不允許,不存在的。我們目前所掌握的有關宇宙暴脹的唯一信息來自於暴脹結束時的情況。之前的一切都被指數膨脹從我們的視野中抹去了!(上帝真是用心了,害怕我們看到宇宙是怎麼開始的嗎?)

所以這一切意味著什麼呢?意味著如果我們的宇宙只存在物質和輻射時,宇宙從一個奇點開始的想法是個很好的概念,但這個概念只是幫助我們理解,宇宙怎樣開始的。但是現在我們知道了宇宙存在暴漲,所以現在沒有理由相信我們的宇宙在過去曾經有過奇點。

這個說法可能與你在任何地方都看到的不同,包括在網上,課本上,甚至在許多大學裡,但宇宙不存在奇點是正確的,所以我們也不能肯定地談論宇宙之前發生了什麼。

所以我的答案就是,就我們目前對宇宙的了解而言宇宙沒有奇點!

相關焦點

  • 既然宇宙誕生於奇點,那奇點之外是什麼?
    既然宇宙在膨脹變大,那麼,越久之前的宇宙就越小。而在138億年前,宇宙小到只是一個體積無窮小的奇點,這被認為是宇宙的起源。根據宇宙大爆炸模型,如果宇宙是從大爆炸中誕生,那麼,早期宇宙肯定很熱,並且當時的熱量還會殘留到今天。後來,宇宙微波背景輻射的發現有力地證實了這一預言。
  • 宇宙誕生前奇點外面什麼都沒有也算一種空間嗎?
    宇宙沒有誕生前,也就是奇點時期,外面有空間嗎?沒有也算一種空間嗎?這種問題真的很燒腦,有很多人都覺得難弄明白,其實這關係到引力曲率問題,我們一起來討論一下。時空通訊的明確回答是:不能算空間。這個世界有兩種事情不能用我們平常生活常識來度量,一個就是宇宙誕生之前的奇點,一個就是微觀量子世界。我們今天就來討論一下宇宙誕生之前的問題。我們今天討論的依據是基於宇宙標準模型,也就是大爆炸宇宙論為基礎。如果沒有一個統一的命題基礎,就無法圍繞著一個論點來討論了。
  • 宇宙誕生前有另一個宇宙嗎?
    宇宙誕生學說之中最為人們所熟知的就是「宇宙大爆炸學說」。很多人都認可宇宙就是誕生於一個奇點的大爆炸之中的。當然這個說法並不是科學家們瞎說的,而是有著較多的科學根據的。首先是在宇宙之中觀察到了「紅移」,這個紅移現象支撐了爆炸學說。
  • 宇宙大爆炸可以休矣!「奇點」是怎樣的存在?我們該怎樣理解宇宙
    如果說在宇宙誕生學說中最有影響的,莫過於宇宙大爆炸理論了。1927年,來自比利時的天文學家和宇宙學家勒梅特首次提出了大爆炸理論。1929年,美國天文學家哈勃的宇宙膨脹理論似乎又給大爆炸理論增添了新的證據。於是,美國科學家伽莫夫在1947年正式提出「奇點大爆炸」學說。
  • 宇宙很大而奇點很小,小點如何變為宇宙?奇點到底有多小?
    宇宙並不是從一開始就在這裡的,也並不是恆存永續的。包括宇宙本身在內,沒有什麼是恆存永續的,所以宇宙也有一個開始,未來也會有一個結束。宇宙開始於何處?大爆炸,宇宙大爆炸。由於某種平衡被打破,奇點爆炸了,一瞬之間,物質、能量、時間和空間噴湧而出,宇宙誕生了,在之後漫長的歲月中,宇宙不斷膨脹,越來越大,物質不斷凝聚,天體、星系逐步誕生,才有了今時今日我們所見的宇宙。宇宙很大很大,可觀測宇宙的半徑達到了465億光年,那麼產生如此巨大宇宙的奇點有多大呢?很小很小。奇點很小,目前關於奇點大小的推論並沒有一個具體的數字。
  • 宇宙沒有誕生前奇點周圍有空間和能量嗎?
    在奇點爆炸前,一切都是虛無,只有量子泡沫隨機漲落。什麼是量子泡沫呢?就是在宇宙誕生前,一片虛空。這個虛空不是我們現在自以為是的真空,而是真正一點什麼都沒有個真空。我們現在的宇宙中,最真空的地方也有一兩個粒子在飄蕩,所以這就是時空,而宇宙誕生前的真空才是真正的量子真空。量子理論認為,量子真空又叫假真空,沒有空間,但卻充滿了能量。
  • 宇宙誕生之前是什麼?「奇點」從何而來?宇宙之外是什麼?
    「之前」首先是一個關於時間的問題,而時間是事物發展過程的標識,但事物只有在作為事物之母的宇宙誕生後才產生,故時間是宇宙誕生之際同時產生的,因此宇宙誕生前是不存在時間的。既然如此,也就不應該存在「宇宙之前」的概念,這種提問本身就有問題。宇宙穩恆膨脹理論對這個問題回答是:宇宙誕生之前不存在。
  • 如果宇宙之初是一個奇點,那麼奇點之前是什麼?
    根據宇宙大爆炸理論,宇宙開始於奇點,奇點可以說是宇宙之初。因為時間、空間和物質都是奇點所生,因此奇點就是時間的開端,宇宙的起點。時間從奇點開始,就意味著奇點沒有之前,因為「之前」也是個時間概念。當然「奇點」也不是憑空來的,奇點雖沒有之前,但也有從何而來的問題。回答這個問題之前,我想講明白一道理。那就是如果我回答了奇點是從什麼東西而來的,或奇點「之前」是什麼,那必然會引來新的疑問:那這個「什麼東西」又從何而來?或它「之前」是什麼?諸如此類,無窮無盡。所以這個問題的常規回答是滿足不了此類疑問的。也從根本上解決不了問題。
  • 宇宙之外還有空間嗎?怎麼理解宇宙大爆炸的奇點?
    宇宙是一切可以認知事物的總和 ,而宇宙之外是一個「不可知之地」,只能說是一個混沌的狀態,那裡沒有空間,沒有時間,沒有能量,沒有物質。很多人以為世界會像一個「俄羅斯套娃」,宇宙之外還有容納宇宙東西,其實這是不對的。
  • 奇點大爆炸誕生了宇宙,那在奇點爆炸之前是什麼樣子的?
    隨著科學家們提出宇宙大爆炸的理論,我們知道在138億年之前,一顆小小的奇點爆炸誕生出了如今浩瀚縹緲的宇宙,那麼,奇點爆炸之前宇宙又是什麼樣子呢?關於奇點,科學家們經過研究分析,認為奇點是一個體積無限小、質量無限大的物質,按照科學家們的解釋,雖然奇點看起來非常不起眼,不過裡面卻蘊含了宇宙中的萬物,要知道,在大爆炸之後宇宙始終不斷膨脹,孕育出了無數的天體,目前人類所能觀測到的宇宙範圍,就有930億光年,能夠觀測到的恆星數量,就多達300億億顆,這還不算各類行星、小行星、彗星等天體
  • 宇宙起源於奇點爆炸,奇點又起源於哪裡?一個點如何炸出宇宙?
    據此,哈勃提出了一個著名的反向疑問:宇宙天體之間的距離是不是時間越往前推就越小,甚至會縮小到一個點?不錯,這就是「奇點」的由來。哈勃以此提出「宇宙大爆炸」理論雛形:138億年前一個體積無限小、密度無限大、溫度無限高的「奇點」爆炸誕生了如今的宇宙。
  • 如果宇宙最初是一個奇點,那麼奇點之前是什麼?
    宇宙誕生於138億年前的一次大爆炸,這已經成為現代宇宙誕生論的標準答案,儘管也有很多的不同意見,但通過現代天文觀測,大爆炸論能被證實的證據是比較充分的,當然我們今天不糾結大爆炸論的來歷,而是大爆炸的奇點,都說宇宙誕生於大爆炸,那麼請問奇點之前又是怎麼樣的世界呢?
  • 137億年前,奇點大爆炸誕生了宇宙,那奇點又是從何而來?
    現在,科學家們探測到的宇宙範圍是930億光年的距離,而這很有可能只是浩瀚宇宙的冰山一角。那麼,宇宙又是如何而來的呢?通過科學家們的計算機建模分析,我們得知在137億年之前,一片混沌之中一個奇點憑空出現,這個奇點體積無限小,質量卻無限大,它其中蘊藏了整個宇宙的所有能量和所有物質,然後伴隨著這個奇點的爆炸,宇宙出現了,時間和空間的概念也由此而生。
  • 奇點大爆炸誕生了宇宙,這個奇點是如何來的?一種猜想讓人們害怕
    很多人是認可宇宙大爆炸理論的,可是對於這個奇點卻不認可科學家給出的這種無限解釋。那麼這個奇點如果真的存在,它又會是一種什麼樣的存在呢?有不少人對於宇宙大爆炸之前的情況非常感興趣,可是有科學家站出來說了,宇宙沒有誕生之前只是一個奇點,這個一個沒有空間和時間概論的物質,所以不存在宇宙大爆炸之前之後的說法。這種認知是建立在宇宙唯一論的基礎上,也就是宇宙是唯一的。
  • 宇宙是誕生在一個實體裡面嗎?
    這是網友提出的問題,他問的是:請問天文學家宇宙大爆炸前太空是實體嗎?我不是天文學家,但我會鸚鵡學舌,將一些科普常識搬來與各位共享。大爆炸宇宙模型還是一個科學猜想,但這個猜想經歷了100多年的驗證,已經有許多證據支撐,而幾乎沒有一例反證來證偽。
  • 宇宙誕生138億年後,還能找到大爆炸的奇點位置在哪裡嗎?
    宇宙誕生於一場大爆炸,這是現代天文對宇宙來歷的一個解釋,而宇宙的中心則是一個絕對參考系的存在,根據大爆炸理論,宇宙的所有物質都來自於這個點,從理論上來解釋,它就是整個宇宙的爆心,那麼請問它在哪裡?宇宙的絕對參考系存在嗎?
  • 宇宙誕生138億年後,還能找到大爆炸的奇點位置在哪裡嗎?
    宇宙誕生於一場大爆炸,這是現代天文對宇宙來歷的一個解釋,而宇宙的中心則是一個絕對參考系的存在,根據大爆炸理論,宇宙的所有物質都來自於這個點,從理論上來解釋,它就是整個宇宙的爆心,那麼請問它在哪裡?從這個意義上來看,我們的宇宙似乎沒有一個絕對靜止的參考點,所有的天體都在運動中,不是自轉就是公轉,或者公轉的同時又繞著另一個更大的天體公轉,最後漫無目的的朝著一個永遠都到不了地方運動.........
  • 宇宙中的物質是從哪裡來的?真的來自大爆炸的奇點嗎?
    導讀:我們的宇宙究竟有多大呢?就目前觀測的數據而言,宇宙直徑大約為930億光年,其中至少存在1000億個星系,可觀測到的恆星數量至少達到100萬億億顆!如此龐大的物質儲量,真的全部來自於一個大爆炸的奇點嗎?這令人難以置信!
  • 137億年前引發宇宙大爆炸的「奇點」去哪了?
    宇宙是如何誕生的?相信很多人都會說是來自於137億年前的一場「奇點」大爆炸。根據科學家們的推論,在大爆炸之前,宇宙並不存在,時間和空間的概念也都沒有產生,而不知何時起,一個「奇點」出現了,並且在某一天突然爆炸,裡面蘊含的各類物質被噴發出來,此後不斷冷卻、結合,形成了各類天體,而宇宙誕生後,時間和空間的概念也隨之產生。根據科學家們的觀測,自從奇點大爆炸之後,宇宙從未停止過生長。
  • 假如宇宙是由一個奇點「誕生」的,那麼這個奇點是怎麼產生的?
    假如宇宙是由一個奇點「誕生」的,那麼這個奇點是怎麼產生的?宇宙的起源是一個極其複雜的問題。宇宙是一個物質世界,它在不斷的運動和發展中。數千年來,科學家一直在探索宇宙何時以及如何形成。直到今天,許多科學家認為宇宙是由大約137億年前的大爆炸形成的。