作用下被陷入到个区域之中,其表面最终缩小到零。并且由于这区域表面缩小到零,它体积也应如此。恒星中所有物质将被压缩到个零体积区域里,所以物质密度和空间——时间曲率变成无限大。换言之,人们得到个奇点,它被包含在叫做黑洞空间——时间个区域中。
初看起来,彭罗斯结果只适用于恒星,它并没有涉及到任何关于整个宇宙过去是否有个大爆炸奇点问题。然而,正当彭罗斯在创造他定理之时,是个正在尽力寻求个问题可用之完成博士论文研究生。两年之前即被诊断得ALS,通常又被称为卢伽雷病或运动神经细胞病,并且被告知只有两年可活。在这种情况下,看来没有很多必要攻读博士学位——预料不能活那久。然而两年过去,没有糟到那种程度。事实上,事情还进行得相当好,还和个非常好姑娘简·瓦尔德定婚。但是为结婚,需要个工作;为得到工作,需要个博士学位。
1965年,读到彭罗斯关于任何物体受到引力坍缩必须最终形成个奇点定理。很快意识到,如果人们将彭罗斯定理中时间方向颠倒以使坍缩变成膨胀,假定现在宇宙在大尺度上大体类似弗利德曼模型,这定理条件仍然成立。彭罗斯定理指出,任何坍缩必须终结于个奇点;其时间颠倒论断则是,任何类弗利德曼膨胀模型必须从个奇点开始。为技巧上原因,彭罗斯定理需要以宇宙在空间上是无限为条件。所以事实上,能用它来证明,只有当宇宙膨胀得快到足够以避免重新坍缩时(因为只有那些弗利德曼模型才是空间无限),必须存在个奇点。
以后几年中,发展新数学技巧,从证明奇性必须发生定理中除去这个和其他技术上条件。最后结果是1970年彭罗斯和合作论文。那篇论文最后证明,假定广义相对论是正确,宇宙包含着们观测到这多物质,则过去必须有大爆炸奇点。们工作遭到许许多多反对,部分来自苏联人,由于他们对科学宿命论信仰;另部分来自某些人,他们不喜欢整个奇点观念,并认为这糟蹋爱因斯坦理论完美。然而,人实在不能辩赢数学定理。所以最终们工作被广泛接受,现在几乎每个人都假定宇宙是从个大爆炸奇点开始。颇具讽刺意味是,现在改变想法,试图去说服其他物理学家,事实上在宇宙开端并没有奇点——正如们将看到,只要考虑量子效应,奇性则会消失。
从这章们看到,在不到半个世纪时间里,人们几千年来形成关于宇宙观点被改变。哈勃关于宇宙膨胀发现,并意识到们行星在茫茫宇宙中微不足道,只不过是起点而已。随着实验和理论证据积累,人们越来越清楚地认识到,宇宙在时间上必须有个开端。直到1970年,在爱因斯坦广义相对论基础上,这才被彭罗斯和所证明。这个证明显示,广义相对论只是个不完全理论,它不能告诉们宇宙是如何开始。因为它预言,所有包括它自己在内物理理论都在宇宙开端失效
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