高中物理 第6章 相对论与天体物理 第3节 广义相对论初步 奇点素材 鲁科版选修3-4（通用）

高中物理 第6章 相对论与天体物理 第3节 广义相对论初步 奇点素材 鲁科版选修3-4（通用）

奇点 ‎ 回顾从亚里士多德到牛顿再到爱因斯坦的科学发展进程，可以体会到，任何物理理论都有自己的成功和失败的地方，或者有效和无效的范围。解决老问题和提出新问题，往往是一个理论的两个方面。牛顿解决了许多亚里士多德没有解决的问题，但也留下了自己的困难。爱因斯坦解决了牛顿理论中的许多困难，但也带来了新的问题。‎ 爱因斯坦广义相对论中最大问题之一是奇点。在黑洞解中有奇点，在宇宙学中也有奇点。引力坍缩的最终结局是奇点；大爆炸的起始点，也是一个奇点。‎ 奇点具有一系列奇异的性质，无限大的物质密度，无限大的压力，无限弯曲的时空等等。此外，在奇点处，一切形式的因果关系都消失了，奇点使我人既不能谈过去，也不能预言未来。 有一段时间里，物理学家相信，奇点也许只是数学形式上带来的东西，实际上是可以避免的。如果不用完全对称的几何结构，也许就没有奇点。但是七十年代以来，霍金和潘罗西证明，在广义相对论中，奇点是一个普遍的不可避免的东西。当把广义相对论应用到宇宙学时，必然会出现奇点，就象牛顿力学在宇宙学中不可避免地要 碰到某种无限大一样。‎ 牛顿体系中某些不合理的无限大，说明了牛顿理论在一定条件下就不再适用，广义相 对论中奇点的不可避免，可能也是广义相对论局限性的一种表现。爱因斯坦本人也是这样来看这些奇点的意义的。他说：“人们不可假定这些方程对于很高的场密度 和物质密度仍然是有效的，也不可下结论说膨胀的起始就必定意味着数学上的奇点。总之，我们必须明白，这些方程不可扩展到这样的的一些区域中去。”因此，我们必须去寻求可以扩展到这样的区域中去的理论。‎ 在爱因斯坦之后，人们主要从两方面发展爱因斯坦的理论，一是把广义相对论和量子论结合起来，一是把广义相对论与其它的基本相互作用统一起来。‎