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宇宙起源于奇点大爆炸,那么奇点外面是什么?

来源:网络 编辑:小彩 更新:2026-10-11

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。

量子信息+熵,能解释宇宙的演化吗

热力学第二定律,也许是物理里最根本的几条原理之一。

它说,一个系统的熵只会随时间增加,不会减少。

这也是唯一一条能指明"时间箭头"朝哪走的物理定律。

熵,说白了就是无序的程度:熵越低,结构越有序;熵越高,越散乱。

糖从浓处向淡处扩散、气体膨胀、咖啡放凉,背后都是熵在增加。

人们相信,宇宙的演化也遵循这条定律。

宇宙早年处于低熵状态,一路演化到高熵。

可就在这个过程中,宇宙造出了一些极其复杂的结构——星系就是代表。

星系的熵很低,却是在一个高熵的环境里形成的。

这看起来像是在违反第二定律。

这个存在已久的矛盾,正是物理学家金妮斯特拉·比安科尼想解决的难题。

引力、熵与量子信息的交织,是比安科尼理论的视觉主题(图片来源:Physics World) 在爱因斯坦的广义相对论里,有个叫"度规"的数学对象,描述时空是怎么弯曲的;物质沿着这条弯曲走,就表现成了引力。

而在量子力学里,"算符"是对量子态做变换的数学工具。

比安科尼的关键一步,就是把这个"度规"当成量子算符来用,用量子化的方式描述时空的几何。

这样一来,会冒出两个"度规":一个是"真实"的时空度规,一个是由物质和能量诱导出来的度规。

两者之间"差多少",用量子信息论里的一个量来度量,叫量子相对熵。

正是这两个几何之间的量子相对熵,决定了时空怎么演化——换句话说,它给出的运动方程,就是引力。

在低曲率极限下,这套方程能精确还原爱因斯坦的广义相对论。

可一旦超出这个极限,方程就得被一个叫"G场"的对象修正。

G场生出一个暗能量项,而且是动态的。

暗能量被认为是直接推动宇宙膨胀的东西;在标准广义相对论里,它由静态的宇宙学常数驱动。

现在冒出一个动态的暗能量项,就有了被实验检验的机会。

比安科尼又把这套理论用到了弗里德曼-罗伯逊-沃克(FRW)宇宙模型上。

这是广义相对论对宇宙行为的一级近似,假设宇宙各向同性、处处均匀、且在膨胀。

膨胀由宇宙的主导成分驱动——暗物质、普通物质,或辐射。

宇宙膨胀时,体积变大,总熵也跟着变大。

但正因为体积涨得更快,单位体积里的熵——也就是熵密度——反而随时间下降。

总熵在涨,局部熵密度却在降,这就给了星系、甚至生命这类低熵结构一个在膨胀宇宙里被造出来的机制。

那这算不算违反第二定律?比安科尼用非空的 FRW 宇宙算了一遍总熵:要把熵密度在整个时空区域上积分,而因为体积随时间变大,总熵成了时间的函数——膨胀的速度超过了熵密度衰减的速度。

所以对辐射主导和物质主导的宇宙,总熵依然随时间增加,第二定律照样成立,尽管局部熵密度在下降。

比安科尼强调,GfE 理论还很年轻,需要实验来验证。

但这项工作揭示了它内在的热力学本质,为经典引力与量子引力都打开了新路——把引力用"量子信息"和"熵"来表述,也许正是通向"量子化引力"这个百年难题的另一条路径。

引力,也许并不是什么神秘的基本力,而只是信息与熵的必然结果。

若真如此,宇宙为什么要演化、为什么能长出星系和生命,答案也许就藏在这条最普通的第二定律里。

来源:S. Jones, "Could quantum information theory explain universe evolution?" Physics World, 14 Sep 2026. 报道所引研究:G. Bianconi, Physical Review D.

追踪13.4万亿个暗物质!百亿亿次超算用4天完成这场模拟

科技日报记者 刘霞 美国能源部阿贡国家实验室日前发布消息称,该机构科学家借助“极光”百亿亿次超级计算机,完成了迄今规模最大的两次宇宙学模拟。

每次模拟都追踪了13.4万亿个暗物质粒子在286亿光年宽度区域内的演化过程。

这一成果有助于科学家研究宇宙暴胀,并为分析大型巡天观测数据提供重要支撑。

左图为百亿亿次级模拟生成的全天空光锥图;右图外圈显示宇宙微波背景辐射,扇区分别展示视线速度(红/蓝)、物质密度(灰)和引力势(绿/蓝)。

图片来源: 美国阿贡国家实验室 宇宙暴胀理论认为,极早期宇宙曾经历一段短暂而剧烈的快速膨胀。

这一过程将微观量子涨落拉伸到宇宙尺度,留下微小的密度差异;随后,引力把这些差异不断放大,最终形成我们今天看到的星系、星系团和宇宙大尺度结构。

然而,暴胀背后的具体物理机制仍未完全确定。

通过研究物质在宇宙中的分布,有望找到更多线索,探索宇宙最早期的秘密。

暗物质无法被望远镜直接看见,却凭借引力主导星系形成,并塑造更大尺度的宇宙结构。

在模拟中,暗物质粒子被用作暗物质密度和速度分布的“示踪剂”,团队由此得以追踪宇宙结构跨越数十亿年的演化轨迹。

标准宇宙暴胀模型预测,早期宇宙的密度涨落服从高斯分布,也就是最简单的一类随机模式。

科学家正努力寻找其中可能存在的微小偏差,即“原始非高斯性”。

一旦发现可测量的偏差,就可能暗示暴胀时期还存在其他场、相互作用或动力学过程,从而帮助区分关于宇宙最初时刻的不同理论。

然而,这类信号极其微弱,还可能被“宇宙方差”掩盖——由于观测只能采样宇宙的有限体积,统计不确定性难以完全消除。

因此,探测此类信号需要覆盖最大宇宙尺度的超大规模模拟。

而如此规模的模拟对算力要求极高。

团队在阿贡国家实验室的“极光”超级计算机上完成了计算。

模拟及大部分数据分析约4天完成,目标正是揭示宇宙暴胀的物理本质。

这些模拟数据将助力分析多项大型巡天项目,包括美国能源部支持的暗能量光谱仪(DESI)和NASA的SPHEREx任务,两者目前均处于数据采集阶段。

模拟与前沿观测相互印证,将共同描绘出更为精细的宇宙图景,推动人类对宇宙起源与演化的探索。

来源:科技日报