互动科普

1922年，俄国数学家亚历山大·弗里德曼（1888～1925）利用广义相对论推测宇宙空间从过去到未来应该如何变化，结果表明，在诸多的可能性中有一种是“宇宙应该持续膨胀”。

宇宙开始于体积为零、密度为无穷大的一个“点”

1970年，英国物理学家史蒂芬·霍金和数学家、物理学家罗杰·彭罗斯一起，按照弗里德曼的宇宙模型和甚至更加复杂的宇宙模型探讨将时间向过去倒推宇宙空间应该如何变化。他们得到的结论是，“如果只在广义相对论的框架内分析的话，追溯膨胀宇宙的过去，它应该一直收缩，最后必然要坍缩为大小为零的一个‘点’(奇点定理)。”

将膨胀宇宙向过去追溯最后得到的那一点被称为“奇点”。奇点的体积为零，那里的物质密度和温度都为无穷大。换句话说，追溯宇宙的过去，推测得到的宇宙起始的样子根本就无法想象。当然，这并不是根据现实观测得到的结论，而不过是利用数学公式推导出来的一个结果。

追溯宇宙的过去最后得到一个奇点，这个结论被称为奇点定理，曾经使物理学家备感困惑。这是因为，对奇点进行的物理学计算的结果全都是无穷大，完全失去了意义。因此，如果认为宇宙是开始于一个奇点的话，就根本无法搞清楚宇宙究竟是如何诞生的。

幸好，奇点定理只是单纯基于广义相对论得到的一个结论，毕竟还有规避这个奇点定理的办法。霍金清楚地意识到，由于会导出奇点定理，“只利用广义相对论是无法说明宇宙诞生瞬间的情况的”，他需要引入其他理论来研究宇宙诞生瞬间所发生的事情。

只利用相对论无法说明宇宙的开始

利用相对论进行分析，宇宙应该开始于一个没有大小的“奇点”。这里图解表现的就是一个从奇点开始，随着时间流逝而不断膨胀变大的宇宙（球表面）。图上看起来位置越在深处的球（越小的球），其球面代表时间越早的宇宙。对奇点进行的所有物理学计算都无效，所以这个模型无法科学解释宇宙的开始。小图表现了弗里德曼利用广义相对论方程导出的宇宙模型。宇宙诞生出来以后便一直膨胀。

（本文发表于《科学世界》2013年第7期）