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大爆炸理论的广义相对论基础

广义相对论认为一切参考系都等价，无法确定整个宇宙的运动状态，可是大爆炸理论却认为这个宇宙处于膨胀阶段.膨胀造成两个物体之间的相对运动(远离).这种相对运动(远离)，在任何参考系看来，仍旧是“相对运动(远离)”，不会因为参考系变换而被抹去.

2006年6月19日，霍金在北京人民大会堂谈到：“为了理解宇宙的起源，我们必须把广义相对论和量子理论相结合.最重要的问题是理解宇宙为什么是这样子，怎样变成这个样子？……宇宙起源于爆炸，时间终结于黑洞……”.研究广义相对论，就不能不提到著名的奇点定理.在1965年至1970年之间，彭罗斯和霍金证明了广义相对论的奇点定理，他们得出：在广义相对论中奇点是不可避免的，即只要爱因斯坦的广义相对论正确，并且因果性成立，那么任何有物质的时空，都至少存在一个奇点.【1】——【3】

爱因斯坦宇宙模型的提出

1917年，爱因斯坦发表《根据广义相对论对宇宙所做的考查》，首次将广义相对论应用于宇宙学.现代宇宙学由此开始.为了得到一个静态宇宙模型，他在引力场方程中加上了一个宇宙项，得出R_μν－λg_μν＝－k（T_μν－1/2g_μνT）.由此爱因斯坦得出一个静态的、有界、无边的宇宙模型.

1973年，霍金和埃利斯出版了《时空的大尺度结构》一书，这本书是霍金的一部代表作，书中的部分内容是基于霍金的Adams奖的获奖论文.在这本书里，霍金对奇点定理做了总结，并在此基础上，提出了关于宇宙的两个预言：其一，大质量星体的最终归宿是塌缩到事件视界背后的包含奇点的黑洞，即宇宙中存在黑洞.其二，我们的过去存在奇点，它构成了宇宙的开端.

由此可见，奇点定理为黑洞和大爆炸宇宙学提供了理论依据.毫无疑问，霍金对奇点定理的数学推导是正确的，但问题的关键是如何在物理上解释这个定理.自从奇点定理提出后，一些广义相对论的研究人员认为：既然爱因斯坦广义相对论是正确的，根据奇点定理，奇点将不可避免，因此，物理学应该接纳奇点，接纳无穷大.这就是目前许多理论物理学家对奇点定理的理解.基于这种观点，在过去的40多年里，与奇点相关的一些领域，例如黑洞和大爆炸宇宙理论得到了发展.在黑洞理论中，黑洞中心是一个奇点，在奇点处，物质的压力无穷大，物质的密度也是无穷大，在黑洞的外面，还存在一个无限红移面，为了避免裸奇点的出现，彭罗斯还提出了宇宙监督假说.大爆炸宇宙学打破了“物质不灭﹑时间永恒”的观念，提出了宇宙有开端，时间有起点的观点.奇点定理实际上提出了一个问题，物理上究竟允许不允许出现无穷大，要回答这个问题，历史上的经验值得借鉴，在物理学的历史上，只要物理理论中出现无穷大，这个理论多半就是错误的，或者是一件不可能发生的事情，例如：理想流体中会出现奇点，这说明理想流体理论所描述的运动，不是真实的流体运动，真实的流体有粘性.在黑体辐射公式中的紫外灾难，表明Rayleigh-Jeans的公式有漏洞，因而普朗克建立了量子理论.而以光速运动的物体将具有无穷大的质量，让爱因斯坦提出了物体运动不可能达到光速.由此可见，在物理学的其它分支，物理理论中是不允许有无穷大的结果出现.只要物理理论中出现无穷大，这个理论多半就是错误的.既然奇点定理得出在广义相对论中奇点是不可避免的，那么，对奇点定理实际上还存在另一种解释，即在爱因斯坦的广义相对论中一定存在问题.找出广义相对论存在的问题，找出奇点产生的根源，对爱因斯坦理论进行修正，这才是广义相对论研究的正确方向.

参考文献

【1】Penrose，R.，Phys.Rev.Lett.，1965，14 p57.

【2】Hawking，S.W.，Proc.Roy.Soc.Lond.1967，A300，p187.

【3】Hawking，S.W.，Penrose，R.，Proc.Roy.Soc.Lond.1970，A314，p529.