物理学家尚未确定奇点预言是否意味着奇点真的存在,是这样吗?这个问题最开始出现在问答。“问答网”是个获取及分享知识的网站,它帮助人们从他人处学到知识,加深对世界的了解。

为什么奇点对人类来说是走向毁灭(究竟是理论的产物)(1)

“物理学家尚未确定奇点预言是否意味着奇点的确存在”。这是真的吗?

这句话似乎简短且温馨地总结了一个广泛的、更偏向于物理哲学而非物理学的问题。

开始解答前,有必要对物质的数学表征和该物质本身进行非常明确的区分。是的,虽然这很直观,但,我的天啊,如果这两个概念混淆了,问题可就……

为什么奇点对人类来说是走向毁灭(究竟是理论的产物)(2)

这件事先放一边。在许多完美的物理学理论中(即物质的数学表征中),奇点是可以存在的,这一点毫无争议。事实上,我们可以更坚定地说:奇点在物理理论中通常很有用。或者再坚定些:在物理理论中,奇点通常是必不可少的。

话虽如此,现存的已表征事物中(如,世界上现存的物理量中)是否存在奇点,这就不清楚了。

为什么奇点对人类来说是走向毁灭(究竟是理论的产物)(3)

要单独弄清这一部分,应当先抛开该问题的隐含主语,即广义相对论中提出的黑洞中心的奇点。在这里,直觉一文不值——至少我的是这样。因此来想象一壶开水吧(直观些更好)。

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最经典的物质理论会用奇点来表示相变(即沸腾之类的转变)。统计力学和热力学中,相变由状态方程中的奇点(更精确地说,是某些自由能表达式导数中的奇点)表示。根据相变出现的导数,可对相变的性质和物理特性进行分析和分类(一级相变还是二级相变)。

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但这有些奇怪。在有限系统中,有限系统的自由能——如一壶水——可表达为有限但冗长的无限微分算式和。且该有限和中根本找不到奇点。只有当我们取无穷极限(也称热力学极限)时,该算式才有奇点,且相变点才开始具有数学表征。【1】

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但我们却明知错误而为之——我们知道一壶水是有限的,但它显然会沸腾。事实上,我们必须撒个小谎(假设它是无限的)才能发现奇点的性质以对相变进行分析,然后在无视谎言的情况下得出结论。通过这种方法,我们才能获取已知系统最有效的表征。

从一定意义上来说,这些奇点虽然对于系统建模来说至关重要,但同时也表明我们使用的表征在某种程度上太过理想化了。“实际系统”不是奇异的(但这或许会成真)。

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好了,回归问题本身。首先,依据彭罗斯-霍金奇点定理,广义相对论似乎预言奇点是在一些相当普遍的引力坍缩条件下产生的。

因此,我们是可以用一些真正的奇点来表征引力坍缩的。

但这意味着什么?我的答案是,从更熟悉的环境中所举的例子可以说明,在用奇点表征的某些点上会发生一些很有意思的、非常实际且意义重大的事。而且,如同我们严肃地将统计力学用来表示沸腾和冻结过程中的状态那样,我们也应当严肃对待广义相对论关于奇点周围“黑洞”区域的预言。

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然而,因为广义相对论数学(世界上最完美的引力理论表征)中存在奇点,我们就应当认为世界上确实存在奇点吗?并非如此,我们举的例子就无法证明。至于是否存在某些终极的时空“有限碎块”或其他东西能帮我们解答这个问题(如作为水壶的直接类比),就不得而知了。但确实有足够多的例子证明我们可以理想化地创建理论上可行但实际中并不存在的、谨慎的奇点。

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因此,维基上所称的,物理学家“不确定奇点是否真的存在”这一说法(我认为是指存在于已表征的实际物体中,而非理论表征中),我认为——是的。这一结论虽然模糊,但优秀地总结了物理学家们在该问题上采取的适当态度。

【1】而且你不能仅仅采用“陡度”来处理这个问题。你可以从无穷极限中无法成为奇点的自由能中发现急剧变化;它们不能表征相变。

参考资料

1.WJ百科全书

2.天文学名词

3. forbes-零夏lullaby

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