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宇宙大爆炸始于奇点,最后会不会重新坍缩回奇点?

能不能回到奇点这取决于宇宙膨胀的速度和宇宙的物质平均密度。根据广义相对论,能计算得到一个临界密度,这临界密度决定了整个宇宙时空的曲率。

能不能回到奇点这取决于宇宙膨胀的速度和宇宙的物质平均密度。

根据广义相对论,能计算得到一个临界密度,这临界密度决定了整个宇宙时空的曲率,根据宇宙中物质能量的平均密度与临界密度比较,就能确定宇宙的整体曲率。当宇宙的平均密度高于临界密度,则时空曲率为正;当宇宙的平均密度正好等于临界密度,则时空的曲率为零;当宇宙的平均密度小于临界密度,则时空的曲率为负。

宇宙大爆炸始于奇点,最后会不会重新坍缩回奇点?

三种不同的时空曲率

时空曲率为正

时空曲率为正代表我们的宇宙是一个弯曲闭合的宇宙,即爱因斯坦所提出的超球面宇宙。在理想情况下,在超球面宇宙里向某个方向发射一束光,它最终会从背后飞回来。当然,这是在理想情况下,实际上超球面宇宙的情况会复杂得多,由于物质分布的不均匀,光在超球面宇宙里的行进路径会不断被各种质量天体弯曲,最终都不知道被弯到哪里去了。这就像在地球上往一个方向走,由于地球表面凹凸不平,你一直沿着测地线走的话,路线很快就会掰弯了,一个小沙丘就足以让你转个方向,所以你实际上是不可能沿测地线绕地球一圈回到原点的。嗯,科普书里说的可以回到原点都是理想情况下的。

时空曲率为正的超球面宇宙是过去一直作为标准的宇宙模型,几乎所有的早期科普书都是以此为标准宇宙模型而加以介绍的,而这也是宇宙唯一能重新坍缩回奇点状态的宇宙模型,因为只有在时空曲率为正的情况下,引力才能占主导地位从而让宇宙停止膨胀并重新收缩,并最终整个宇宙再坍缩回大爆炸奇点。

宇宙大爆炸始于奇点,最后会不会重新坍缩回奇点?

包含宇宙常数项的爱因斯坦引力场方程

时空曲率为零

时空曲率为零表示我们的宇宙在大尺度下是平直的。你可能奇怪,宇宙怎么会是平直的呢?我们的宇宙明明存在大量的星系和各种星际物质,按照广义相对论,物质能量会使时空产生弯曲,那时空一定是弯的啊,怎么会变成平直了???其实这是因为我们宇宙的时空曲率除了跟物质能量有关,还跟膨胀速率有关。也就是说我们在计算宇宙的平均密度的时候,是要考虑膨胀速率这个因素的。故此,在宇宙的物质总量不变的情况下,宇宙膨胀速率越大,时空曲率越小,当宇宙膨胀速率达到一个阈值,时空大尺度就会趋于平坦,也就是宇宙的时空曲率为零了。这样的宇宙将永恒减速膨胀,膨胀速度在引力作用下一直降低,但永不停止。

时空曲率为负

这个情况就比较特殊了,正常情况下一个能形成星系的宇宙是不应该是负曲率的,因为我们一般认为宇宙膨胀是一个减速过程,宇宙膨胀的速率会因引力作用而降低,否则星系就压根不可能形成了。也就是说现在这样一个能形成星系的宇宙的时空曲率是不可能为负的。然而大约在20年前,两个研究团队分别独立测出宇宙在大约90亿年前开始结束减速膨胀,并最终渐渐转变为加速膨胀,今天我们的宇宙正在加速膨胀!!!这完全违反广义相对论的理论预期,目前依然没有找到合理解释,为了维持广义相对论的正确性,科学家虚构了一个称为暗能量的玩意,认为正是这个暗能量导致了加速膨胀,然而对于暗能量是个什么玩意科学家完全一无所知……

而正是由于加速膨胀的出现,时空的曲率很可能是负的,宇宙将一直加速膨胀下去……

宇宙大爆炸始于奇点,最后会不会重新坍缩回奇点?

三种不同时空曲率对应的宇宙命运

​综上所述

宇宙只有在时空曲率为正的情况下,也就是宇宙的平均密度超过临界密度的情况之下,宇宙才有可能重新坍缩为一个奇点。而另外两种情况下,宇宙都只能坍缩到两个以上的奇点。由于后两种情况下时空不能完全缩回奇点,最终黑洞也会在霍金辐射下消耗殆尽,所有的奇点终将消失……

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