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宇宙的能量从哪里来?

“砰”的一下,就炸出来了一个宇宙,产生了这么多物质和天体,而且这些天体今天在宇宙中还在飞跑,那得多少能量啊!这些能量都是哪里来的呢?

其实在宇宙中,爆炸是经常发生的,而且也不一定要从外边提供什么能量。比如,大家都听说过超新星爆发,而超新星爆发就不需要外部提供能量,它自己就爆炸了。简单地说,如果有一大团物质,在自身的引力作用下就会发生收缩,我们叫做引力塌缩。在这个收缩过程中,引力势能转化成为了物质的动能,所以在没有其它事情发生的情况下,这些高速运动的物质最后就会撞在一起,发生一个剧烈的爆炸。但是这并不是我们看到的超新星爆发,原因在于,这一团物质收缩的过程中的确会发生其它事情,比如形成了恒星和行星,我们的太阳系就是这么形成的。

恒星是靠它内部的核聚变产生能量来抵抗进一步的引力收缩,但是恒星内部的核聚变过程最终是会停止的,失去了内部能源的恒星只好继续做引力塌缩。接下去就有两个可能了,一个可能就是在中心首先形成了一个黑洞,那么剩下的物质跑到了黑洞视界面就直接进去了,所以不会发生超新星爆发,银河系内的有些黑洞就是这么形成的,这我们在关于黑洞的那个小讲里面说过。但是如果中心先形成了一个中子星,外面的物质并不知道,仍然高速冲进去,撞到了中子星的很硬的表面,就被反弹回去,这就是超新星爆发!所以产生超新星爆发并不需要额外提供能量。

但是宇宙一开始可是什么都没有啊,靠引力塌缩引爆宇宙大爆炸很显然不可行,那么怎么办呢?一个出路就是奇点。我们前面讲到黑洞的时候说过,一般认为,黑洞的中心是一个奇点,那里的各种物理量都发散,尤其是能量和物质密度都是无穷大。既然是无穷大,那么奇点爆发产生出来一个宇宙就可能了。但是黑洞的奇点是被黑洞的视界包围着的,不会影响黑洞外面的世界。然而,如果有一个没有被黑洞视界包围的奇点,这个奇点就可以产生宇宙大爆炸了。霍金和彭罗斯于1970年证明了一个奇点定理,而奇点定理要求的条件看来是可以满足的。于是宇宙大爆炸需要的奇点就可以有了。

但是,朋友们可能又要问了,奇点是哪里来的呢?奇点产生之前是什么呢?这就不是大爆炸理论所能够回答的了,已经有了一些理论来回答这些问题,比如暴胀理论、平行宇宙和多重宇宙。

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