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「宇宙学」震惊学界：一个数学定理破解了宇宙最大谜团——宇宙学第一定理


「宇宙学」震惊学界：一个数学定理破解了宇宙最大谜团——宇宙学第一定理
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“四方上下曰宇 ， 往古来今曰宙 。 ”站在地球上的每个人 ， 面对头顶那广袤无垠的宇宙空间时 ， 都曾赞叹不已 ， 什么样的鬼斧神工造就了如此精妙的宇宙？随着近几百年来科学的飞速发展 ， 人们对宇宙的认识不断登上新的台阶 。 尤其是广义相对论的发现 ， 使人类在研究宇宙时插上了一双翅膀 ， 宇宙空间从此开始婀娜多姿起来 ， 它的几何形态开始逐渐在物理学家的笔尖下被勾勒出来 。

20世纪20年代 ， 尽管已经意识到引力场方程所描述的宇宙是不稳定的 ， 要么正在坍缩要么正在膨胀 ， 爱因斯坦作为创始人 ， 还是接受不了一个不稳定的宇宙 。 为此 ， 爱因斯坦特意在引力场方程中加入了一个宇宙常数项 ， 使其能够描述一个稳定的宇宙 。
但事实证明 ， 爱因斯坦在宇宙常数项上犯下了“一生中最大的一个错误” ， 哈勃发现河外星系的光谱都存在红移现象 ， 即光线的波长会增大 ， 参考多普勒效应 ， 这表明宇宙正在膨胀！
哈勃的发现是人类宇宙学研究史上最伟大的发现 ， 没有之一 。 爱因斯坦所添加的那个宇宙常数项 ， 自然也就被人们略掉了 ， 直到最近几十年 ， 物理学家才又重新发现这个常数可能来源于早期的希格斯场 ， 它正是宇宙最初暴胀的原因 。
基于哈勃发现宇宙正在经历着膨胀 ， 很多物理学家猜测 ， 宇宙的体积是有限的 ， 其在最初可能会存在一个开端 ， 包括时间、空间的一切存在形式都在宇宙的开端开始出现 。 不过 ， 这只是一个理论上的推测 ， 宇宙存在开端的观点 ， 不但不能被实验观测所证实 ， 也未能被理论所严格证明 。
震惊物理学界的是 ， 一切在20世纪70年代改变了 ， 英国两位著名物理学家罗杰?彭罗斯和斯蒂芬?霍金从广义相对论出发 ， 提出了一个关于宇宙起源的数学定理——奇性定理 ， 一个在数学上被严格证明的数学定理 ， 被誉为宇宙学第一定理 ， 将宇宙的起源以无懈可击的数学演绎证明了出来：如果宇宙包含现今所观测到的那么多物质 ， 并且广义相对论是正确的 ， 那么宇宙必须起源于过去的一个奇点 。
令所有物理学家震惊的是 ， 宇宙的起源问题 ， 就这样被彭罗斯与霍金以无懈可击的数学演绎证明了 ， 而奇性定理成立的条件简单到了极致 ， 这也是宇宙必须被满足的 。 他们的证明过程表明 ， 宇宙起源的那个奇点 ， 正如所有黑洞中心的奇点一样 ， 具有无穷大的质量密度 ， 时空曲率会产生无限大的弯曲 。
遗憾的是 ， 尽管广义相对论前前后后经受住了上百次的实验验证 ， 但由它演绎而来的奇性定理却还是没能使彭罗斯与霍金得到诺奖 ， 颁发给他们的仅仅只是1988年的沃尔夫奖 。
很多科学爱好者都知道 ， 今天的大爆炸理论是一个科学推测 ， 大爆炸理论确实解释不了在大爆炸的那一瞬间 ， 到底发生了什么 ， 时间、空间是如何产生出来的 ， 它只能解释大爆炸之后宇宙的演化是什么样的 。 但是 ， 大爆炸理论最具说服力的不是它的逻辑自洽性 ， 也不是与微波背景辐射良好的符合 ， 而是它背后那条不容置疑的奇性定理！
当然 ， 这并不意味着奇性定理的出现 ， 使138亿年前的那个奇点无法被回避 ， 当量子效应融入进来以后 ， 即当引力场成功被量子化时 ， 奇性定理所必需满足的条件“如果广义相对论是正确的”将被修改 ， 届时物理学的噩梦——奇点 ， 将彻底被回避掉 。


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