Page 288 - 物质的绝对运动——相对论和量子力学的物理起源

宇宙学中的奇点，是宇宙的标度因子收缩为“零”的一个数学点，通常是解广义相对论
方程时出现的时空曲率趋向无穷大的发散点。由于爱因斯坦引力场方程是一个高度耦合的非
线性方程，对这种方程的求解是一个极为困难的事情，早期人们只能够求解一些具有高度对
称性的情况，这其中最早的一个结果就是由德国物理学家史瓦西在广义相对论提出后一个月
得到的真空球对称解，即史瓦西解，这也是第一个真正意义上的黑洞解。另外一个同样著名
的成果是弗里德曼在 1922 年得到的，它是描述各向同性均匀宇宙演化的弗里德曼—罗伯逊
—沃尔克度规。虽然这两个解描述的物理非常不同，但是人们发现它们有一个特别的相似之
处：它们都表明时空中存在一个曲率无限大的点——“时空奇点”。后来，钱德拉塞卡、朗
道和奥本海默等对于大质量恒星演化的研究表明：球对称的大质量恒星在其核燃料燃烧耗尽
之后将会不可避免地塌缩成为一个黑洞，从而导致时空奇点的形成。奇点处的物质密度无限
大，温度无限高，体积无限小，曲率无限大，一切物理定律在此处失效。奇点还被认为是时
空的起始点和终结点，宇宙大爆炸从奇点开始，宇宙大爆缩（宇宙大爆炸的镜像逆过程）终
结于奇点。然而，在广义相对论研究早期，包括爱因斯坦在内的许多物理学家并不认为在广
义相对论的框架下奇点会出现在真实的世界中。首先，史瓦西解和恒星晚期的演化都假设了
球对称性，但是真实的星体不可能具有那样精确的球对称性；其次，在弗里德曼—罗伯逊—
沃尔克度规里，人们假设了宇宙是均匀且各向同性的，但是真实的宇宙不可能具有理论模型
中那样完美的均匀对称性。这使得一些物理学家认为真实的物理世界中并不存在奇点。这一
想法非常自然，譬如在经典电磁学里一个点电荷的电场强度在中心处是发散的，但是这并不
导致经典电磁学的任何危机，因为现实世界里不存在一个真正的“点”电荷。那么在广义相
对论里发现的那些“无穷大”也是因为模型过于简化所致吗？对于“球对称”的偏离可以有
效地避免时空奇点的产生吗？关于这个问题的回答分为两派：一派认为“发散”的出现是因
为人们采用了过分理想、以至于现实中不存在的模型；另外一派则认为在广义相对论框架下
时空的奇点是不可避免的。后一派的代表人物有罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)和史蒂芬·霍
金。彭罗斯于 1965 年给出了第一个奇异性定理(或奇点定理)的证明，他首次在不依赖对称
性的情况下证明，只要时空中的物质是由一些“正常”的物质构成(指它们满足某些“能量
条件”)，并且时空满足一些基本的性质，那么时空的奇点是普遍存在、不可避免的。后来，
彭罗斯和霍金合作对这一结果进行了推广，并回答了广义相对论中奇点的存在性问题：球对
称性的偏离并不能有效地克服奇点的产生，奇点的形成在广义相对论中几乎是不可避免的。
而且，在奇点附近，可能会出现各种“诡异”现象，例如，奇点附近大量物质的产生，另外，
裸奇点的存在甚至会影响到无限远处的观测者。如何避免这种不良的影响呢？为此彭罗斯提
出了弱宇宙监督假设：除了宇宙大爆炸奇点外，奇点总是被一个称为“黑洞事件视界”的表
面所包裹，因此不再裸露，遥远的观测者不再受其影响。基于彭罗斯的“奇点普遍存在”的
结论和“弱宇宙监督假设”，人们可以作如下思考：物理上可以产生的奇点必须包裹在一个
事件视界中。由于宇宙中物质演化产生奇点是普遍存在的，这些奇点都应该隐藏在黑洞的事
件视界中，因此黑洞的形成也一定是普遍的。这就是说，在广义相对论中物质的演化必然导
致黑洞和奇点的出现。除此之外，广义相对论的一个重要物理意义就在于它能够计算并且预
言时空的演化，但是奇点的出现破坏了这种可预言性。这对于广义相对论来说是一个致命的
挑战。那么有什么机制能够消除或者至少是减弱这种挑战呢？为此彭罗斯又提出了一个“强
宇宙监督假设”：物理的时空都是可预测的。为了使视界内的观测者也无法观测到奇点，这
就要求奇点必须是类空的，虽然人们可以依据广义相对论预知其存在，但只有当真正撞上时
才能“观测”到这样的奇点。彭罗斯和霍金关于奇点的一系列开创性工作被认为是自爱因斯
坦以来对广义相对论最重要的贡献之一，彭罗斯因此获得了 2020 年度诺贝尔物理学奖。不
过稍微有些遗憾的是，彭罗斯的研究搭档史蒂芬·霍金已经于两年前去世，未能见证这一荣
耀的时刻。

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