大爆炸起始于一个奇点，奇点势能被打破，导致能量不断转化为物质演变为宇宙。是什么导致了奇点平衡被打破？
大爆炸的开端，那个我们称之为“奇点”的瞬间，至今仍是宇宙学中最深刻、也最令人着迷的谜团之一。想象一下，一个无限小、无限致密、能量无限集中的“点”，它容纳了我们今天所知宇宙的一切。然而，这个“点”并非一种稳定或永恒的状态。它是一个极端，一个不可能长期维持的平衡。
那么，是什么“打破”了这极致的平衡？这个问题触及了我们对物理定律和宇宙最根本的理解。我们必须承认，对于大爆炸本身，特别是奇点时刻之前的状态，我们的理论仍然存在局限。我们现有的物理学，尤其是爱因斯坦的广义相对论，在描述奇点时会失效，数学上会“崩溃”，无法提供一个清晰的解释。
尽管如此，我们可以从现有理论的推演和一些前沿的假说中，尝试描绘一个可能的图景，来理解为何这个“平衡”最终被打破。
1. 量子涨落：宇宙诞生的微小涟漪
即使在看似绝对平静的奇点，量子力学的世界告诉我们，虚空并非真的空无一物。那里充满了“量子涨落”，也就是说，能量和粒子会在极短的时间内随机地产生和湮灭。想象一下，就像一个无比平静的水面，在微观层面，总是有着微小的波纹在涌动。
在奇点这个极端能量集中的环境下，这些微小的量子涨落被极度放大。可以设想，在某个极其偶然的时刻，一次特别强烈的量子涨落，在奇点内部引发了某种“不对称”或“不稳定性”。这种不稳定性可能是能量密度上的微小差异，也可能是某种量子场的自发激发。
这个“打破”并非是一个外部的推力，而更像是内在的“抖动”达到了一个临界点。就像一个被压缩到极致的弹簧，即使最轻微的扰动，都可能导致它猛烈地释放能量。
2. 早期宇宙的“真空”状态与相变
一些理论认为，奇点并非是一个“什么都没有”的点，而是处于一种我们尚未完全理解的“真空”状态。这个“真空”可能是一种具有极高能量密度的量子真空。
宇宙的演化，特别是早期宇宙，可能经历了一个或多个“相变”，类似于水结冰或汽化，物质会从一种状态转变为另一种状态。在这个过程中，能量的分布和场的性质会发生剧烈的变化。
可以想象，奇点本身可能是一种不稳定的“亚稳态”。就像一个放在山顶的石头，虽然暂时处于平衡，但只要有一点点扰动，它就会滚落。某种未知的量子场（例如，如果存在一个“宇宙膨胀场”或其他早期宇宙的标量场）的能量释放，或者宇宙在某个极早期的阶段经历的某个相变，可能就是触发奇点“滚落”的关键。
3. 肠衣（Cosmic Inflation）理论的视角
虽然更常用来描述大爆炸后极短时间内的宇宙加速膨胀，但一些关于宇宙大爆炸起源的假说，也可能与奇点的“打破”相关联。
例如，一些模型设想，在奇点之前，宇宙可能处于一个极度压缩的状态，但其量子性质非常特殊。而某些理论，如“循环宇宙”（Cyclic Universe）模型，设想宇宙经历了一系列的膨胀和收缩。在大爆炸之前，可能是一个收缩阶段的“反弹”，或者是由之前的宇宙遗留下来的量子不确定性。
在这个视角下，“打破”可能是由一个先前宇宙留下的“痕迹”或者量子“记忆”所触发，这在极短时间内引发了能量的释放和空间的扩张。
4. 局限性与未知的领域
最诚实地说，当我们谈论“是什么导致奇点平衡被打破”时，我们正站在我们现有物理学知识的最前沿，甚至是在其边界之外。
广义相对论的失效： 如前所述，奇点是广义相对论失效的地方。我们需要一个能够统一量子力学和引力（即量子引力理论）的理论，才能真正理解奇点及其之前的状态。弦理论、圈量子引力等都是探索量子引力的方向，它们或许能为我们揭示奇点被打破的真正原因。
“之前”的概念： “导致”这个词可能暗示着一个时间上的先后顺序。然而，在大爆炸的奇点时刻，时间和空间本身可能才刚刚开始。所以，我们通常理解的“原因”和“结果”的线性关系，在那里可能不再适用。
总结来说，
与其说是什么“外部力量”打破了奇点的平衡，不如说这种打破更可能源于奇点本身的内在不稳定性，这种不稳定性是由量子涨落被放大，或者由早期宇宙的某种相变或不稳定的真空状态所触发。
想象一下，奇点是一个被压缩到极致的可能性集合。它蕴含着一切，但这种蕴含本身就是一种极端的、不稳定的状态。任何微小的量子涟漪，在如此极端的条件下，都可能成为点燃宇宙大爆炸的火花，将那无限的潜能转化为我们所见的膨胀的宇宙。
我们仍然在努力理解那个最初的瞬间。科学的魅力就在于不断地探索未知，每一次理论的进步，都可能为我们揭开一点点关于那个“打破”时刻的神秘面纱。
那么，是什么“打破”了这极致的平衡？这个问题触及了我们对物理定律和宇宙最根本的理解。我们必须承认，对于大爆炸本身，特别是奇点时刻之前的状态，我们的理论仍然存在局限。我们现有的物理学，尤其是爱因斯坦的广义相对论，在描述奇点时会失效，数学上会“崩溃”，无法提供一个清晰的解释。
尽管如此，我们可以从现有理论的推演和一些前沿的假说中，尝试描绘一个可能的图景，来理解为何这个“平衡”最终被打破。
1. 量子涨落：宇宙诞生的微小涟漪
即使在看似绝对平静的奇点，量子力学的世界告诉我们，虚空并非真的空无一物。那里充满了“量子涨落”，也就是说，能量和粒子会在极短的时间内随机地产生和湮灭。想象一下，就像一个无比平静的水面，在微观层面，总是有着微小的波纹在涌动。
在奇点这个极端能量集中的环境下，这些微小的量子涨落被极度放大。可以设想，在某个极其偶然的时刻，一次特别强烈的量子涨落，在奇点内部引发了某种“不对称”或“不稳定性”。这种不稳定性可能是能量密度上的微小差异，也可能是某种量子场的自发激发。
这个“打破”并非是一个外部的推力，而更像是内在的“抖动”达到了一个临界点。就像一个被压缩到极致的弹簧，即使最轻微的扰动，都可能导致它猛烈地释放能量。
2. 早期宇宙的“真空”状态与相变
一些理论认为，奇点并非是一个“什么都没有”的点，而是处于一种我们尚未完全理解的“真空”状态。这个“真空”可能是一种具有极高能量密度的量子真空。
宇宙的演化，特别是早期宇宙，可能经历了一个或多个“相变”，类似于水结冰或汽化，物质会从一种状态转变为另一种状态。在这个过程中，能量的分布和场的性质会发生剧烈的变化。
可以想象，奇点本身可能是一种不稳定的“亚稳态”。就像一个放在山顶的石头，虽然暂时处于平衡，但只要有一点点扰动，它就会滚落。某种未知的量子场（例如，如果存在一个“宇宙膨胀场”或其他早期宇宙的标量场）的能量释放，或者宇宙在某个极早期的阶段经历的某个相变，可能就是触发奇点“滚落”的关键。
3. 肠衣（Cosmic Inflation）理论的视角
虽然更常用来描述大爆炸后极短时间内的宇宙加速膨胀，但一些关于宇宙大爆炸起源的假说，也可能与奇点的“打破”相关联。
例如，一些模型设想，在奇点之前，宇宙可能处于一个极度压缩的状态，但其量子性质非常特殊。而某些理论，如“循环宇宙”（Cyclic Universe）模型，设想宇宙经历了一系列的膨胀和收缩。在大爆炸之前，可能是一个收缩阶段的“反弹”，或者是由之前的宇宙遗留下来的量子不确定性。
在这个视角下，“打破”可能是由一个先前宇宙留下的“痕迹”或者量子“记忆”所触发，这在极短时间内引发了能量的释放和空间的扩张。
4. 局限性与未知的领域
最诚实地说，当我们谈论“是什么导致奇点平衡被打破”时，我们正站在我们现有物理学知识的最前沿，甚至是在其边界之外。
广义相对论的失效： 如前所述，奇点是广义相对论失效的地方。我们需要一个能够统一量子力学和引力（即量子引力理论）的理论，才能真正理解奇点及其之前的状态。弦理论、圈量子引力等都是探索量子引力的方向，它们或许能为我们揭示奇点被打破的真正原因。
“之前”的概念： “导致”这个词可能暗示着一个时间上的先后顺序。然而，在大爆炸的奇点时刻，时间和空间本身可能才刚刚开始。所以，我们通常理解的“原因”和“结果”的线性关系，在那里可能不再适用。
总结来说，
与其说是什么“外部力量”打破了奇点的平衡，不如说这种打破更可能源于奇点本身的内在不稳定性，这种不稳定性是由量子涨落被放大，或者由早期宇宙的某种相变或不稳定的真空状态所触发。
想象一下，奇点是一个被压缩到极致的可能性集合。它蕴含着一切，但这种蕴含本身就是一种极端的、不稳定的状态。任何微小的量子涟漪，在如此极端的条件下，都可能成为点燃宇宙大爆炸的火花，将那无限的潜能转化为我们所见的膨胀的宇宙。
我们仍然在努力理解那个最初的瞬间。科学的魅力就在于不断地探索未知，每一次理论的进步，都可能为我们揭开一点点关于那个“打破”时刻的神秘面纱。
网友意见
“大爆炸起始于一个奇点”是过时的理论。最近几十年的理论推导和实验倾向于认为，并没有存在过“大爆炸奇点”这样的东西。
- 大爆炸奇点，或曰初始奇点，无视了量子力学对极早期宇宙的深刻影响，过于依赖无法准确推测奇点之性质的广义相对论。背景辐射的温度波动约三万分之一，比采用奇点的热大爆炸模型预测的要少两到三个数量级。
- 二十世纪六十年代，霍金和罗杰·彭罗斯证明，当时空的弯曲足够陡峭，时空会不可避免地坍缩，爱因斯坦方程将会不起作用，需要新的量子引力理论才能解释。彭罗斯-霍金奇点定理表明，时空无法从一个点中平滑而稳定地展开。
大爆炸宇宙论的核心观点是度规膨胀、早期高温态、太初核合成、星系形成，这些是从独立于任何宇宙学模型的实际观测中推导而来，包括而不限于轻元素的丰度、宇宙微波背景辐射、大尺度结构、Ia型超新星的哈勃图。“大爆炸起始于什么”“暴胀存在与否”则是可以被各种替代性理论阐述的。
霍金将费曼的总和历史方法应用于研究宇宙起源，这涉及总和在时空的每一条世界线可能发生的事件，意味着必须考虑宇宙的边界条件，而最特殊的边界条件就是没有边界。1981年，霍金发表了论文《宇宙边界条件》，提议宇宙可能没有边界，即没有起源或终结。1983年，霍金与詹姆斯·哈特尔合作提出宇宙无边界模型：在普朗克时期之前，由于量子力学的不确定性原理，宇宙没有时空边界；在极早期宇宙里只有空间、没有时间，宇宙起源的概念毫无意义。
那之后，霍金多次谈到，宇宙可以通过量子机制整个涌现于虚无之中。
我们可以构建这样的模型：宇宙的总能量是零。
在宇宙的总能量是零的情况下，要平衡恒星的能量，简单有效的方法是抬出引力：引力是吸引的，引力能是负的，你必须做功才能把引力束缚的系统（例如地球和月球）分离开。
但是，地球的引力能不到构成地球的物质粒子的不变质量所对应之能量的十亿分之一。恒星这样的物体会有更负的引力能，恒星的尺寸越小（它的不同部分相互靠得越近），引力能就越负，可是在引力能足以抵消自身的不变质量之前，该恒星就足够坍缩成黑洞了，而黑洞具有正的能量。这导致真空的相对稳定，避免在你脸上随机涌现恒星或黑洞[1]。
而整个宇宙却能自发涌现。因为引力赋形于时空，允许时空局部稳定且全体不稳定。在全宇宙的尺度下，物质的能量可以被引力能的负能量抵消到零。由此，宇宙可以从无之中自我创生，而不需要一个非常特殊的奇点，或是任何类型的创世者。
过去几十年里，人们已经建立了许多不需要大爆炸奇点的宇宙学理论。
参考
- ^ 但这并不影响涌现总能量零的东西。已经有人在数学上构建出质量零的虫洞、白洞之类东西。
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