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奇点:空间—时间中空间—时间曲率变成无穷大的点。 奇点定理:这定理是说,在一定情形下奇点必须存在——特别是宇宙必须开始于一个奇点。

本文发表在 rolia.net 枫下论坛广义相对论是否预言我们的宇宙必须有过大爆炸或时间的开端?对这个问题,英国数学家兼物理学家罗杰·彭罗斯在1965年以完全不同的手段给出了回答。利用广义相对论中光锥行为的方式以及引力总是吸引这一事实,他指出,坍缩的恒星在自己的引力作用下被陷入到一个区域之中,其表面最终缩小到零。并且由于这区域的表面缩小到零,它的体积也应如此。恒星中的所有物质将被压缩到一个零体积的区域里,所以物质的密度和空间——时间的曲率变成无限大。换言之,人们得到了一个奇点,它被包含在叫做黑洞的空间——时间的一个区域中。

初看起来,彭罗斯的结果只适用于恒星,它并没有涉及到任何关于整个宇宙的过去是否有个大爆炸奇点的问题。然而,正当彭罗斯在创造他的定理之时,我是一个正在尽力寻求一个问题可用之完成博士论文的研究生。两年之前我即被诊断得了ALS病, 通常又被称为卢伽雷病或运动神经细胞病,并且我被告知只有一两年可活了。在这种情况下,看来没有很多必要攻读我的博士学位了——我预料不能活那么久。然而两年过去了,我没有糟到那种程度。事实上,我的事情还进行得相当好,还和一个非常好的姑娘简·瓦尔德定婚了。但是为了结婚,我需要一个工作;为了得到工作,我需要一个博士学位。

1965年,我读到彭罗斯关于任何物体受到引力坍缩必须最终形成一个奇点的定理。我很快意识到,如果人们将彭罗斯定理中的时间方向颠倒以使坍缩变成膨胀,假定现在宇宙在大尺度上大体类似弗利德曼模型,这定理的条件仍然成立。彭罗斯定理指出,任何坍缩必须终结于一个奇点;其时间颠倒的论断则是,任何类弗利德曼膨胀模型必须从一个奇点开始。为了技巧上的原因,彭罗斯定理需要以宇宙在空间上是无限的为条件。所以事实上,我能用它来证明,只有当宇宙膨胀得快到足够以避免重新坍缩时(因为只有那些弗利德曼模型才是空间无限的),必须存在一个奇点。

以后的几年中,我发展了新的数学技巧,从证明奇性必须发生的定理中除去了这个和其他技术上的条件。最后的结果是1970年彭罗斯和我的合作论文。那篇论文最后证明了,假定广义相对论是正确的,宇宙包含着我们观测到的这么多物质,则过去必须有一大爆炸奇点。我们的工作遭到许许多多的反对,部分来自苏联人,由于他们对科学宿命论的信仰;另一部分来自某些人,他们不喜欢整个奇点的观念,并认为这糟蹋了爱因斯坦理论的完美。然而,人实在不能辩赢数学定理。所以最终我们的工作被广泛接受,现在几乎每个人都假定宇宙是从一个大爆炸奇点开始的。颇具讽刺意味的是,现在我改变了想法,试图去说服其他物理学家,事实上在宇宙的开端并没有奇点——正如我们将看到的,只要考虑了量子效应,奇性则会消失。更多精彩文章及讨论,请光临枫下论坛 rolia.net
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Replies, comments and Discussions:

  • 工作学习 / 科技领域杂谈 / 大家学的物理不一样吗?---"光速不变"--这是我学的。大学物理老师还特地纠正"光速最大"这个说法。
    • 根据《时间简史》,光速不变是观测到的现象,经过小心验证的。就是无论观察者以何种速度运动,测到的光速都是一样的。爱因斯坦相对论正是建立在这个现象之上。光速最大(或者说不可超越),是相对论的一种理论假定。换句话说如果光速被超过了,则相对论就有问题了。
      • "是相对论的一种理论假定"--where?--I don't believe that my teacher didn't know 相对论的理论假定
        • 进来看看。
          这个被称之为相对论的基本假设是,不管观察者以任何速度作自由运动,相对于他们而言,科学定律都应该是一样的。这对牛顿的运动定律当然是对的,但是现在这个观念被扩展到包括马克斯韦理论和光速:不管观察者运动多快,他们应测量到一样的光速。这简单的观念有一些非凡的结论。可能最著名者莫过于质量和能量的等价,这可用爱因斯坦著名的方程E=mc^2来表达(这儿E是能量,m是质量,c是光速),以及没有任何东西能运动得比光还快的定律。由于能量和质量的等价,物体由于它的运动所具的能量应该加到它的质量上面去。换言之,要加速它将变得更为困难。这个效应只有当物体以接近于光速的速度运动时才有实际的意义。例如,以10%光速运动的物体的质量只比原先增加了0.5%, 而以90%光速运动的物体,其质量变得比正常质量的2倍还多。 当一个物体接近光速时,它的质量上升得越来越快,它需要越来越多的能量才能进一步加速上去。实际上它永远不可能达到光速,因为那时质量会变成无限大,而由质量能量等价原理,这就需要无限大的能量才能做到。由于这个原因,相对论限制任何正常的物体永远以低于光速的速度运动。只有光或其他没有内禀质量的波才能以光速运动。
          • 还是没能回答我的问题:
            你摘引的是哪位有关"狭义相对论"一个公式的解释。爱氏看到里面一些无法解释的方面,才继续到"广义相对论"。
      • 有问题才对。任何理论都是在一定范围里才成立。超出这个范围就不适用了。等着看这个结果会给我们带来什么。
        • 建立在相对论基础上的是一座现代物理学和宇宙论大厦,太多东西了,这下基础动摇了,兹事体大。当然,事情还未被确认。
      • 光速恒定是有物理实验验证过的。 光速最大是根据相对论计算出的速度极限, 是相对论的结论之一,不是预先做出的“假定”。光速恒定才是相对论的基石。刚看了那条新闻,
        欧洲观测到的粒子比预期早到目的地60纳秒。由此认为该粒子超光速,到证明其真正超光速还有很多疑问要解决。最明显的就是他们如何测到60纳秒这个数据的,一纳秒是10亿分之一秒。他们首先得证明其计时系统的系统误差加上人为误差远小于10亿分之60秒(即1600万分之一秒). 顺便一提,世界上最精确的钟在英国,不在日内瓦,也不在意大利。
        • 我们说的不矛盾。相对论的前提是光速恒定。而光速不可超越是推论。
          • 你知道什么叫"奇点"吗?
            • 奇点:空间—时间中空间—时间曲率变成无穷大的点。 奇点定理:这定理是说,在一定情形下奇点必须存在——特别是宇宙必须开始于一个奇点。
              本文发表在 rolia.net 枫下论坛广义相对论是否预言我们的宇宙必须有过大爆炸或时间的开端?对这个问题,英国数学家兼物理学家罗杰·彭罗斯在1965年以完全不同的手段给出了回答。利用广义相对论中光锥行为的方式以及引力总是吸引这一事实,他指出,坍缩的恒星在自己的引力作用下被陷入到一个区域之中,其表面最终缩小到零。并且由于这区域的表面缩小到零,它的体积也应如此。恒星中的所有物质将被压缩到一个零体积的区域里,所以物质的密度和空间——时间的曲率变成无限大。换言之,人们得到了一个奇点,它被包含在叫做黑洞的空间——时间的一个区域中。

              初看起来,彭罗斯的结果只适用于恒星,它并没有涉及到任何关于整个宇宙的过去是否有个大爆炸奇点的问题。然而,正当彭罗斯在创造他的定理之时,我是一个正在尽力寻求一个问题可用之完成博士论文的研究生。两年之前我即被诊断得了ALS病, 通常又被称为卢伽雷病或运动神经细胞病,并且我被告知只有一两年可活了。在这种情况下,看来没有很多必要攻读我的博士学位了——我预料不能活那么久。然而两年过去了,我没有糟到那种程度。事实上,我的事情还进行得相当好,还和一个非常好的姑娘简·瓦尔德定婚了。但是为了结婚,我需要一个工作;为了得到工作,我需要一个博士学位。

              1965年,我读到彭罗斯关于任何物体受到引力坍缩必须最终形成一个奇点的定理。我很快意识到,如果人们将彭罗斯定理中的时间方向颠倒以使坍缩变成膨胀,假定现在宇宙在大尺度上大体类似弗利德曼模型,这定理的条件仍然成立。彭罗斯定理指出,任何坍缩必须终结于一个奇点;其时间颠倒的论断则是,任何类弗利德曼膨胀模型必须从一个奇点开始。为了技巧上的原因,彭罗斯定理需要以宇宙在空间上是无限的为条件。所以事实上,我能用它来证明,只有当宇宙膨胀得快到足够以避免重新坍缩时(因为只有那些弗利德曼模型才是空间无限的),必须存在一个奇点。

              以后的几年中,我发展了新的数学技巧,从证明奇性必须发生的定理中除去了这个和其他技术上的条件。最后的结果是1970年彭罗斯和我的合作论文。那篇论文最后证明了,假定广义相对论是正确的,宇宙包含着我们观测到的这么多物质,则过去必须有一大爆炸奇点。我们的工作遭到许许多多的反对,部分来自苏联人,由于他们对科学宿命论的信仰;另一部分来自某些人,他们不喜欢整个奇点的观念,并认为这糟蹋了爱因斯坦理论的完美。然而,人实在不能辩赢数学定理。所以最终我们的工作被广泛接受,现在几乎每个人都假定宇宙是从一个大爆炸奇点开始的。颇具讽刺意味的是,现在我改变了想法,试图去说服其他物理学家,事实上在宇宙的开端并没有奇点——正如我们将看到的,只要考虑了量子效应,奇性则会消失。更多精彩文章及讨论,请光临枫下论坛 rolia.net
        • 嗯,也看到了,穿越是真的可能实现的。
        • 在微电子学领域,60纳秒是个巨大的时间长度,上个世纪就很容易测量。如今时间分辨率达到几十屁秒水平的测量仪器很常见。
          • 本人认为问题的关键还不在于他们的系统能否分辨到纳秒级别,而在于他们设置在发射地和接受地两处的计时装置不可能完全按照一个步调运转,那么这两者的时间差是否也能控制在纳秒级别?
            • 两地原子钟同步,同步误差跟其他可能的误差比小到忽略不计的。整个实验的总计时误差范围是+/-10nS.
    • 书本上的知识,老师的话,是否正确,恐怕一般要取决于一定的前提。
      • 这话是白说。
        • 个人觉得,保持一种开放的思维状态比简单地接受一些结论更有意义。
          • +1
    • 根据科普读物,有反物质。还有反世界,所有物体运动速度都大于光速。光速是最低速度。
      • ding
    • 科学不是真理,科学是可以被验证的,同时也是可以被新的科学推翻的,科学的这种属性使的人们向往科学。。。
      • 这话是白说。
    • 难道最近这个物理实验室的科学家都没上过你的老师的课,不懂物理发现了超光速粒子是大惊小怪?——我的大学里物理类的系-物理系-力学系-应用物理系-的基础物理课很有水平,我在的小理科系的“普通物理”课,一些老师水平比瞎掰强一点点,当初一些愿意求知的都跑物理系旁听
      免得被自己物理老师误导
      • 你并没有回答我的问题,谁说的"光速最大"?
        • 我不是物理学家,当年老师教的也差不多送回去了。。。我看新闻,参加试验的科学家这么说“Everybody knows that the speed limit is c, the speed of light. And if you find some matter particle such as the neutrino going faster than light, this is something
          • 问题就在这句话:"Everybody knows ..."
      • 您上的学校可不难定位了。在北京?
    • 其实真的被证实超过光速也没啥震惊,牛顿力学称霸200多年,在19世纪实验手段已经发现诸多违背牛顿定律的现象,最后由爱因斯坦的体系解决,相对论也有近百年历史,尚没有根本的颠覆,如果现在出现根本性的违背理论的证据,不久出现新的理论,也不奇怪,
      这是自然科学理论发展的常态
      • DIng
    • 如果是真的,相对论需要修正,或许我还能跟老板交涉,工作这些年,我很可能做的工比clock下来的要多,发的薪水可能比应该发的少,应该给我补回来。
      • 要是clock下来的时间多了,咋整 :-( ? 验证这个结论估计要花些时间。
        • 那就不去交涉,回家自己偷着乐呗。
    • 我想打赌这个实验出了差错,中微子其实并没有超光速旅行,有没有人应赌?
      • 跟5毛钱的。
      • 是意大利人搞的试验,我很沮丧,意大利文艺复兴之后现在退化成这样了。
    • 偶从来 就没认为"光速最大"
    • 光速突破后,应该可以看见上帝啥的了。
      • 其实我经常来这儿晃荡,光速超不超的都不要紧。
        • 哇,出来看上帝!
    • 所有的理论都有适用范围,只要在一定的范围适用即可,没有绝对的理论。就像光速的问题,在绝大多数情况下,你说的是对的,也是适用的。不过在天文学里,就是错误的,也不适用了。
      • 感兴趣,有没有天文学这方面的文献、参考、链接可以share一下?
    • 相对论就像19世纪的地心说。
      • 这话差了~~“相对论”数学基础来自于你平日的3+2=5,如果你有足够恒心和智力去跟着他的演算~