什么是奇点？

在宇宙中的某些处所，我们的物理定律会瓦解。

要理解奇点是什么，想象一下重力将你压缩成一个无限小的点，如许你就不会占据任何体积。那听起来不成能……并且确实如斯。那些“奇点”在黑洞中心和大爆炸起头时被发现。那些奇点其实不代表物理上的工具。相反，当它们显现在数学中时，它们告诉我们，我们的物理学理论正在瓦解，我们需要用更好的阐明来取代它们。

什么是奇点？奇点能够发作在任何处所，它们在物理学家用来理解宇宙的数学中出奇地遍及。简而言之，奇点是数学“行为不端”的处所，凡是是生成无限大的值。物理学中有良多数学奇点的例子：好比当 X 变成零时， 1/X 的值就会变成无限大。

然而，那些奇点中的大大都凡是能够通过指出方程贫乏某些因从来处理，或者指出在物理上不成能抵达奇点。换句话说，它们可能不是“实在的”。

但是物理学中存在不克不及简单分辩的奇点。最出名的是引力奇点，即显现在爱因斯坦广义相对论(GR) 中的无限大。

在广义相对论中，奇点有两种：坐标奇点和实奇点。当无限大显现在一个坐标系中（笔录时间和空间别离的特定抉择）但在另一个坐标系中消逝时，就会发作坐标奇点。例如，物理学家卡尔·史瓦西 (Karl Schwarzschild) 将广义相对论使用于简单的球形量量系统，例如恒星。他发现解包罗两个奇点，一个在正中心，一个在离中心必然间隔处，今天称为史瓦西半径。多年来，物理学家认为那两个奇点都预示着理论的瓦解，但只要球体的半径大于施瓦西半径就无所谓了。物理学家所需要的只是让 GR 推测量量之外的引力影响。

但是若是一个物体被挤压到它本身的史瓦西半径以下会发作什么？然后阿谁奇点将在客体之外，那意味着 GR 在一个它不该该的区域瓦解。

人们很快发现，史瓦西半径处的奇点是坐标奇点。坐标系的变革消弭了奇点，保留了 GR 并使其仍然可以做出有效的推测。

引力奇点发作在何处？

但是球体中心的奇点仍然存在。若是你挤压一个物体使其小于其史瓦西半径，那么它本身的引力就会变得如斯强烈，以致于它会陆续本身挤压，不断挤压到一个无限小的点。

几十年来，物理学家不断在争论能否有可能坍缩到一个无限小的点，或者能否有其他力可以阻遏完全坍缩。固然白矮星和中子星能够无期限地支持本身，但任何大于太阳量量六倍的物体城市有过量的引力，压服所有其他力并坍缩成一个无限小的点.

什么是裸奇点？那些就是我们所说的黑洞：一个密度无限的点，被位于史瓦西半径的事务视界包抄。事务视界“庇护”了奇点，避免外部视察者看到它，除非他们穿过事务视界。

物理学家持久以来不断认为，在 GR 中，所有像如许的奇点都被事务视界包抄，那个概念被称为宇宙监视假说——之所以那么定名是因为有人揣测宇宙中的某些过程阻遏（或“监察”）奇点被可见。然而，计算机模拟和理论工做提出了“裸”奇点的可能性。裸奇点就是如许：一个没有事务视界的奇点，完全能够从外部宇宙视察到。那种表露的奇点能否存在仍然是一个颇有争议的话题。

黑洞的中心事实是什么？因为它们是数学奇点，没有人晓得黑洞的中心到底是什么。为了理解它，我们需要一个超越 GR 的引力理论。详尽来说，我们需要一种量子引力理论，能够在十分小的准则上描述强引力的行为。

修改或代替广义相对论以代替黑洞奇点的假设包罗普朗克星（一种高度压缩的奇异物量形式）、引力星（一种由奇异引力支持的薄物量壳）和暗能量星（一种奇异的实空能量形态，其行为类似于黑洞）。迄今为行，所有那些设法都是假设性的，实正的谜底必需期待量子引力理论。

什么是大爆炸奇点？

假设广义相对论成立的大爆炸理论是宇宙汗青的现代宇宙学模子。它还包罗一个奇点。在远远的过往，大约137​.7亿年前，按照大爆炸理论，整个宇宙被压缩成一个无限小的点。

物理学家晓得那个结论是错误的。虽然大爆炸理论从那一刻起在描述宇宙汗青方面获得了浩大胜利，就像黑洞一样，奇点的存在告诉科学家，那个理论——同样是 GR——是不完好的，需要更新。

大爆炸奇点的一种可能处理计划是因果集理论。在因果集理论下，时空不像 GR 那样是一个光滑的继续体，而是由离散的块构成，称为“时空原子”。在英国利物浦大学研究那一主题的物理学家布鲁诺·本托 (Bruno Bento) 说，因为没有什么比那些“原子”中的一个更小，奇点是不成能的。

Bento 和他的合做者正试图用因果集理论代替大爆炸的最早时刻。在那些最后的时刻之后，“在远处的某个处所，宇宙变得足够大而且‘行为优良’，以致于继续时空近似成为一个很好的描述，GR 能够接收以重现我们所看到的工具。”