搜狗百科：奇点 物理定义

奇点物理定义

奇点，也称引力奇点或时空奇点，是一个体积无限小、密度无限大、引力无限大、时空曲率无限大的点，在这个点，目前所知的物理定律无法适用。

在广义相对论中，对奇点的研究是一个重要的课题，它既是能量条件最早的应用之一，也是全局方法在广义相对论中初试锋芒的范例。 “能量条件简介” 的引言中曾经提到，广义相对论的经典解， 比如 史瓦兹旭尔得（Schwarzschild ）解存在奇异性。这其中有的奇异性，比如史瓦兹旭尔得解中的r=2m，可以通过坐标变换予以消除，因而不代表物理上的奇点；而有的奇异性，比如 Schwarzschild 解中的r=0则是真正的物理奇点。很明显，在奇点研究中，真正的物理奇点才是我们感兴趣的对象。

中文名

奇点

宇宙

必须开始于一个奇点

质量

无限质量

提出者

霍金

适用领域

天文学、物理学

定义

物理上一个存在又不存在的点

外文名

Singularity、singular point

大小

奇点没有大小、无限大或无限小

别名

时空奇（qí）异点、引力奇（qí）异点

提出时间

1970年

应用学科

理论物理

1基础定义

物理上把一个存在又不存在的点称为奇点。

空间和时间具有无限曲率的一点，空间和时间在该处完结。经典广义相对论预言奇点将会发生。在具有合理物质源的广义相对论的经典理论中引力坍缩情形中的空间-时间奇性是不可避免的，在一定情形下奇点必须存在——特别是宇宙必须开始于一个奇点。 但由于理论在奇点处失效，所以不能描述在奇点处会发生什么。

作为一个世界的发生之初,它应该具有所有形成宇宙中所有物质的势能,所以它是无形的。同时我们还可以想象,在某一点上宇宙奇点的这一势能平衡被打破,于是乎能量便不断转换为物质,而经过若干年而形成了我们的宇宙---物质与能量的共生体.

奇点然而我们不能想象的出的是什么东西引发了这一奇点势能平衡的被破坏.

奇点是没有大小的“几何点”，就是不实际存在的点，这是很令人难于理解的。令人难于理解的还有，没有大小的奇点物质竟然是能级无限大的物质。这些是同我们现有的理论和观念不相合的。

物理学上面的奇点，多见于描述黑洞中心的情况。此时因为物质在此点密度极高，向内吸引力极强，因此物质压缩在体积非常小的点，此时此刻的时空方程中，就会出现分母无穷小的描述，因此物理定律失效。奇点是天体物理学概念,认为宇宙刚生成时的那一状态.

引力奇点（Gravitationalsingularity‎）是大爆炸宇宙论所说到的一个“点”，即“大爆炸”的起始点。该理论认为宇宙（时间－空间）是从这一“点”的“大爆炸”后而膨胀形成的。奇点是一个密度无限大、时空曲率无限高、热量无限高、体积无限小的“点”，一切已知物理定律均在奇点失效。

我们熟知的物理学定律失效的地点。奇点一般被看成点，但原则上它们可以取一维的线或甚至二维的膜的形式。按照广义相对论的方程式，只要形成了一个无自转的史瓦西黑洞，该黑洞事件视界内部的物质必然在引力作用下塌陷成一个密度无穷大的点，即奇点（罗杰·彭罗斯）。宇宙从大爆炸开始的均匀膨胀就是这种黑洞坍缩的镜像反转，意味着宇宙诞生在一个奇点中。

在以上两种情况下，方程式都没有考虑量子理论。当我们处理的物体小于普朗克长度，或时间短于普朗克时间时，已知的物理学定律，包括广义相对论，看来真会失效。这意味着，在那样的尺度上，合情合理的设想将是，向奇点坍缩的物质受到量子过程的影响，有可能'反弹’而转为向外膨胀到另一组维度中去。有人主张，大爆炸'奇点’实际上就是这样一种反弹。

加州理工学院的理论物理学教授基普·桑尼把量子奇点说成是引力将空间和时间彼此'分离’的地方，然后再将时间概念和空间明确性一一破坏，留下来的是一个任何东西都可能从中出现的'量子泡沫’（《黑洞和时间翘曲》）。奇点——尤其是与自转黑洞和裸奇点（如果存在的话）相关联的奇点——甚至可能容许实现时间旅行。

2演绎过程

奇点(4)1970年，这个定理是Hawking与Penrose于1970年提出并证明的。 如我们在上文中所说， 这并不是最早的奇点定理。 Penrose 于 1965 年， Geroch 于 1966 年， Hawking 于 1967 年等都提出过奇点定理。 比较之下， Hawking-Penrose 奇点定理所要求的条件在物理上最容易实现， 并且涵盖面也广， 因此人们提到奇点定理的时侯通常指的就是这一定理[注四]。 Hawking-Penrose 奇点定理不依赖于对称性， 它对于确立广义相对论中奇点的存在性及普遍性来说是非常强有力的， 同时它也是对我们在 能量条件简介的引言 中所介绍的奇点产生原因之争的判决性结论。 但 Hawking-Penrose 奇点定理也有一个显而易见的缺点， 那就是它既无法告诉我们究竟哪一条非类空测地线是不完备的， 也无法提供有关奇点具体性质的信息。 这一缺点为后人加强奇点定理的结论部分留下了空间。 不过要想加强奇点定理的结论部分， 往往不可避免地要对前提部分也予以加强， 从而有损定理的普遍性。

在 Hawking-Penrose 奇点定理的四个前提中，前提4属于初始及边界条件，并且实现的可能性极大。事实上， 早在 Hawking-Penrose 奇点定理提出的年代，天文观测及理论研究就已经在很大程度上显示出这个前提的三个子条件很可能部分甚至全部得到满足。前提1和2与人们在宏观世界的观测经验相符，因为迄今所知的所有宏观物质的能量动量张量都满足强能量条件，而现实宇宙中物质（包括宇宙微波背景辐射）及引力波的分布无疑遍及全空间，从而满足一般性条件，因此在以大尺度宏观世界为主要描述对象的广义相对论中，这两个前提被认为是适用的。前提3所要求的不存在闭合类时曲线也具有不错的经验基础，因为时间的单向性是宏观世界中最基本的经验事实之一。因此所有这四个前提都有其可信赖之处，但如果一定要在这些前提中找出一个最有可能在现实物理世界中不成立的，那么，如我们将在后文中看到的，能量条件（即前提 1）将是首选，因为理论与观测都表明它事实上就不成立。不过，能量条件的破坏主要来自量子效应，而我们所讨论的奇点定理是经典广义相对论中的命题，两者在所涉范围上有出入。如果我们不考虑量子效应，或者说只考虑经典广义相对论，又有哪一个前提最值得怀疑呢？一般认为是时序条件（即前提 3）。这一条件要求不存在闭合类时曲线。它之所以值得怀疑，主要有两个原因：一是因为广义相对论的某些特殊解事实上允许闭合类时曲线存在（参阅时间旅行: 科学还是幻想？），虽然迄今为止那些解还没有一个得到过任何观测上的支持；二是由于闭合类时曲线实际上是一种抽象的时间机器，这是一种在很多方面都很引人入胜的东西。因此有些物理学家把广义相对论没有在原理层面上禁止闭合类时曲线，视为是一个很值得探索的理论问题。

如果时序条件有可能被破坏，那就产生了一个很自然的问题：即我们是否可以通过作一个与 Hawking-Penrose 奇点定理不同的选择， 把测地完备性作为定理的前提之一， 而把时序条件的破坏 （从而允许时空中存在闭合类时曲线） 作为定理的结论呢[注六]？对这种可能性物理学家们也进行过一些研究。1977年，美国图兰大学（Tulane University）的物理学家F. Tipler研究了渐近平直时空中有限大小的闭合类时曲线，结果发现在强能量条件与一般性条件等条件成立的情况下，这样的曲线在测地完备时空中是不可能出现的[注七]。其他一些物理学家后来也做了这方面的研究和推广，包括使用更弱的条件，以及推广时序破坏的定义等，得到的结果都类似。这些结果成为后来 Hawking 提出所谓时序保护假设（chronology protection conjecture）的基础之一。这些结果表明，时序条件的破坏在很大程度上本身就意味着测地完备性的破坏，因而放弃时序条件并不能挽回测地完备性[注八]。这一结果在一定程度上加强了奇点的不可避免性[注九]，也进一步支持了Hawking-Penrose 奇点定理的合理性，当然， 所有这一切都限于经典广义相对论的范围。

（来源：摘自 搜狗百科：奇点 物理定义，详见https://baike.sogou.com/v67615497.htm?ch=ww.xqy.xgbk）