奇點

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奇點是全國科學技術名詞審定委員會審定、公布的科技術語。

隨着社會制度的不斷發展與進步，中國的漢字也在不斷演化着，從最初的甲骨文漸漸發展到了小篆，後來文化進一步發展後，才出現了」漢字」這種說法。

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名詞解釋

奇（qí）點是大爆炸宇宙論所追溯的宇宙演化的起點，或者黑洞中心的點。奇點的密度無限大，奇點處的時空曲率無限大。

奇點是宇宙大爆炸之前宇宙存在的一種形式。它具有一系列奇異的性質，無限大的物質密度、無限彎曲的時空和無限趨近於0的熵值等。科學家證明在廣義相對論的宇宙學中，「奇點」是不可避免的，均勻各向同性的宇宙是從「奇點」開始膨脹的。1970年，英國理論物理學家霍金等人提出「奇點定理」，證明當把廣義相對論應用於宇宙學時，就必然會出現「奇點」，不僅大尺度宇宙會出現「奇點」，而且超大質量的恆星瀕死時的引力塌縮的最終結局也是「奇點」（此「奇點」指黑洞，與奇點有類似特性）。另有一些學者認為，廣義相對論中「奇點」的不可避免，可能是廣義相對論局限性的一種表現。愛因斯坦說：「人們不可假定這些方程對於很高的場密度和物質密度仍然是有效的，也不可下結論說『膨脹的起始』就必定意味着數學上的奇點。」有一種推測認為，宇宙演化的開端，也許就沒有「奇點」。例如溫伯格(Steven Weinberg， 1933— )說：「宇宙從來就沒有真正達到過無限大密度狀態。宇宙現在的膨脹可能開始於從前的一次收縮的末尾，當時宇宙的密度達到了一個非常高的，但仍然是有限的密度。」

奇點是時空無限彎曲的那一個點。科學家認為奇點存在於黑洞中央，根據奇點的性質，奇點可以是宇宙大爆炸之前宇宙所存在的形式，也可以是超級恆星坍縮成的黑洞的「奇點」。比如，在黑洞內部，所有恆星的質量都在狹小的空間內壓縮，甚至可能成為一個單一的點 。當代物理學理論認為這個點是無限密集，儘管科學家認為它是因廣義相對論和量子力學的不一致而導致物理學崩潰的產物。事實上，科學家懷疑奇點是非常密集，但並非無限密集。

空間時間——時間的具有無限曲率的一點。空間——時間，在該處開始、在該處完結。愛因斯坦說，時間和空間是人們認識的錯覺。時間是因為宇宙萬事萬物的變化，讓人們產生了時間的概念。在奇點處，隨着宇宙的誕生，開始有了變化，是宇宙的開始。經典廣義相對論預言存在奇點，但由於現有理論在該處失效，也就是說不能用定量分析的方法來描述在奇點處有些什麼。

若不可延拓時空中存在一條或一條以上的類時或類光的不完備測地線則稱該時空為奇性時空，不完備測地線所趨向的點即為時空奇點。

作為「宇宙學的奇點」，大多科學家認為它是宇宙產生之初，由爆炸而形成宇宙的那一點。它具有所有物質的勢能,而這種勢能----正是由大爆炸而轉化為宇宙物質的質量和能量，我們可以想象，奇點是一種沒有固定形狀的、沒有體積的不可思議的存在。作為一個世界的發生之初，它應該具有所有形成宇宙中所有物質的勢能，而這種勢能----正是我們所言的能量,我們可以想象，能量是一種無形的東西的，所以奇點是無形的。同時我們還可以想象,在某一點上宇宙奇點的這一勢能平衡被打破，於是偶然的，能量便不斷轉換為物質，而經過若干年而形成了我們的宇宙---物質與能量的共生體。它是存在於宇宙形成之前的「第一推動」（雖然宇宙形成之前沒有「時間」這一概念）——然而我們不能想象的出的是什麼東西引發了這一奇點勢能平衡的被破壞。數學上，奇點是沒有大小的「幾何點」，就是不實際存在。令人難於理解的還有，沒有大小的奇點物質竟然是能級無限大的物質。這些是同我們現有的理論和觀念不相合的。

在廣義相對論中，對奇點的研究是一個重要的課題，它既是能量條件最早的應用之一，也是全局方法在廣義相對論中初試鋒芒的範例。在能量條件簡介的引言中曾經提到，廣義相對論的經典解，比如 Schwarzschild 解 - 存在奇異性。這其中有的奇異性 - 比如 Schwarzschild 解中的 r=2m - 可以通過坐標變換予以消除，因而不代表物理上的奇點； 而有的奇異性 - 比如 Schwarzschild 解中的 r=0 - 則是真正的物理奇點。很明顯，在奇點研究中，真正的物理奇點才是感興趣的對象。奇點顯然就是那些時空結構具有某種病態性質 (pathological behavior) 的時空點。但稍加推敲，就會發現這種說法存在許多問題。首先，「病態性質」是一個很含糊的概念，究竟什麼樣的性質是病態性質呢？顯然需要予以精確化。其次，廣義相對論與其它物理理論有一個很大的差異， 那就是其它物理理論都預先假定了一個背景時空的存在，因此，那些理論如果出現奇點 - 比如電磁理論中點電荷所在處的場強奇點，可以明確標識奇點在背景時空中的位置。但廣義相對論描述的是時空本身的性質。因此在廣義相對論中一旦出現奇點，往往意味着時空本身的性質無法定義。另一方面，物理時空被定義為帶 Lorentz 度規的四維流形，它在每一點上都具有良好的性質。因此，物理時空按照定義就是沒有奇點的，換句話說， 奇點並不存在於物理時空中。

既然奇點並不存在於物理時空中，自然就談不上哪一個時空點是奇點，從而也無法把奇點定義為時空結構具有病態性質的時空點了。但即便如此，像 Schwarzschild 解具有奇異性這樣顯而易見的事實仍然是無法否認的， 因此關鍵還在於尋找一個合理的定義。

物理學家們對奇點性質所做的研究還有許多，通過這些例子，對奇點定義所包含的複雜性有了一些初步了解， 它的表述雖然簡單，卻巧妙地包含了難以完整羅列的種種複雜的時空類型。但另一方面，這個定義雖然已經具有很大的涵蓋性，卻仍不足以包含所有的奇點類型。這一點也是由 Geroch 指出的，此人在奇點定理的研究中是可以與 Hawking 及 Penrose 齊名的非同小可的人物。1968 年，在提出上述反例的同一篇論文中，Geroch 給出了另外一種時空，它是但細緻的研究表明，這一描述同樣不足以涵蓋所有的奇點。1968 年 R. P. Geroch 給出了一個共形於 Minkowski 時空的時空(R4,Ω2ηab)， 其中共形因子Ω2 具有球對稱性，在區域 r>1 恆為1，在 r=0 上滿足t2Ω→0 (t→∞)。顯然 (請讀者自行證明)， 對於這樣的時空，類時測地線r=0 沿t→∞ 具有不完備性，因此這個時空流形具有類時測地不完備性。另一方面，所有類光測地線都將穿越區域r≤1 而進入平直時空，因而都是測地完備的。由此可見這一時空具有類時測地不完備性，但不具有類光測地不完備性。這個反例表明奇點並非都能理解為是從時空中被挖去的點 (或點集)。