第9讲膨胀的宇宙,虫洞与时间机器

1、第九讲第九讲 膨胀的宇宙，虫洞与时间机器膨胀的宇宙，虫洞与时间机器赵峥赵峥北京师范大学物理系北京师范大学物理系一、膨胀的宇宙一、膨胀的宇宙二、关于大爆炸的错误观念二、关于大爆炸的错误观念三、虫洞三、虫洞时空隧道时空隧道四、时间机器四、时间机器一、膨胀的宇宙一、膨胀的宇宙爱因斯坦认为：广义相对论不该应用于原子爱因斯坦认为：广义相对论不该应用于原子现象的研究，而该应用于对宇宙的研究。现象的研究，而该应用于对宇宙的研究。（强作用）（强作用）电磁作用电磁作用 （弱作用）（弱作用） 万有引力万有引力 电磁作用比引力作用强约电磁作用比引力作用强约 倍。倍。1410391037102101什么是宇宙？什么是

2、宇宙？四方上下曰宇，四方上下曰宇，古往今来曰宙。古往今来曰宙。 淮南子淮南子原道训原道训 宇：空间；宙：时间宇：空间；宙：时间宇宙就是时间、空间及物质的总称宇宙就是时间、空间及物质的总称1、宇宙学原理、宇宙学原理n宇宙的结构宇宙的结构 太阳系：太阳系： 光年光年 星系：星系： 光年（光年（10万光年）万光年） 星系团：星系团： 光年光年 观测表明：在比观测表明：在比 光年更大的尺度，宇宙是光年更大的尺度，宇宙是均匀各向同性的。均匀各向同性的。5107101810 宇宙学原理：在宇观尺度上，物质的宇宙学原理：在宇观尺度上，物质的分布始终是均匀各向同性的分布始终是均匀各向同性的望远镜不仅在看望远镜

3、不仅在看远方远方，而且在看而且在看历史历史！ 2、爱因斯坦有限无边的宇宙、爱因斯坦有限无边的宇宙爱因斯坦：有限，无边的静态宇宙模型爱因斯坦：有限，无边的静态宇宙模型 加入宇宙项加入宇宙项kTRgR21（宇宙项）（宇宙项） 3、膨胀的宇宙、膨胀的宇宙弗利德曼弗利德曼 膨胀或脉动的宇宙（膨胀或脉动的宇宙（1922年）年） 勒梅特神父勒梅特神父 “宇宙蛋宇宙蛋” （1927年）年） 哈勃定律哈勃定律 V=HD （1929年）年） 伽莫夫伽莫夫 火球模型火球模型 （1948年）年） （大爆炸模型）（大爆炸模型） 勒梅特和伽莫夫提出了勒梅特和伽莫夫提出了宇宙演化的思想宇宙演化的思想哈勃定律哈勃定律对火球

4、模型的支持对火球模型的支持n星系红移（哈勃定律）星系红移（哈勃定律）n氦丰度氦丰度n3K微波背景辐射（微波背景辐射（1964年，彭齐亚斯，年，彭齐亚斯，威尔逊）威尔逊）膨胀的宇宙膨胀的宇宙(示意图示意图)膨胀的宇宙示意图膨胀的宇宙示意图 4、宇宙的未来、宇宙的未来n无限无边的膨胀宇宙无限无边的膨胀宇宙(K 0)n有限无边的脉动宇宙有限无边的脉动宇宙(K 0)宇宙未来如何演化？宇宙未来如何演化？n临界密度临界密度 个氢原子个氢原子/米米33cccc000kkk脉动脉动膨胀膨胀膨胀膨胀 5、暗物质与暗能量、暗物质与暗能量n对对Ia型超新星的观测表明，现阶段宇宙型超新星的观测表明，现阶段宇宙膨胀不是

5、减速，而是加速。膨胀不是减速，而是加速。n暗物质使膨胀减速暗物质使膨胀减速 暗能量使膨胀加速暗能量使膨胀加速n暗物质成团分布暗物质成团分布 ，吸引效应，吸引效应 暗能量均匀分布，排斥效应暗能量均匀分布，排斥效应暗物质与暗能量暗物质与暗能量物质物质亮星亮星暗物质暗物质暗能量暗能量重子重子热暗物质热暗物质(中微子中微子)冷暗物质冷暗物质起源于起源于动力学暗能量动力学暗能量广义相对论在宇观尺度失效广义相对论在宇观尺度失效0.5%4%0.3%29%65%暗能量最大的可能是宇宙学常数的效应暗能量最大的可能是宇宙学常数的效应爱因斯坦认为自己一生所犯的最大错误爱因斯坦认为自己一生所犯的最大错误很可能不是错误

6、很可能不是错误评论评论 自然科学从哥白尼开始，至今才自然科学从哥白尼开始，至今才500年，我们对宇宙，特别是早期宇宙年，我们对宇宙，特别是早期宇宙的了解还十分不够。可以肯定的是，我的了解还十分不够。可以肯定的是，我们的宇宙是均匀的、无边的、膨胀的、们的宇宙是均匀的、无边的、膨胀的、不断演化的。不断演化的。 不过，对宇宙演化的详细描述往往不过，对宇宙演化的详细描述往往基础不牢，会随着观测资料的更新和科基础不牢，会随着观测资料的更新和科学水平的提高，而不断改变，因此会不学水平的提高，而不断改变，因此会不停地有新的宇宙学理论产生。停地有新的宇宙学理论产生。 千万别去追一辆公共汽车、一个女千万别去追一

7、辆公共汽车、一个女人、或者一个宇宙学的新理论，因为用不人、或者一个宇宙学的新理论，因为用不了多久你就会等到下一个。了多久你就会等到下一个。二、关于“大爆炸”的错误观念1、“大爆炸”是什么种类的膨胀？不是在空间中膨胀，而是空间本身膨胀n不是先有时空，然后在空间某一点发生大爆炸，而是时空与物质同时从大爆炸中产生。n膨胀没有中心，或说每一点都是膨胀的中心n膨胀物质没有边界n各点密度、压强相同，不存在压强差2、宇宙学红移是多普勒效应吗？ 宇宙学红移不是多普勒效应，而是空间膨胀效应，其红移量不同于多普勒效应n多普勒效应是光源在空间中运动造成的，宇宙学红移则是空间本身膨胀造成的。n多普勒效应中，光源发出的

8、光各向异性；空间膨胀效应中，光源发出的光各向同性n多普勒效应中，光在离开光源时波长已发生改变，传播过程中波长不再变化；空间膨胀效应中，光在离开光源时波长未发生改变，传播过程中，波长被空间膨胀逐渐拉长，发生变化。3、河外星系的退行速度可以超光速吗？退行速度可以超光速n星系退行速度随距离增大而增加，退行速度达到光速的距离称“哈勃距离”（140亿光年）d=c/Hn哈勃距离之外，退行速度超过光速n这不违背狭义相对论n退行速度不是物体在空间中的运动速度，也不是信号传播速度，而是空间膨胀造成的。4、我们能看见退行速度比光速快的星系吗？我们能看见退行速度比光速快的星系n哈勃距离d=c/H依赖于哈勃参数（哈勃

9、 参数随时间增大而减小，哈勃距离随时间增加而增大。v=Hd哈勃定律，哈勃距离d=c/H）n原本看不到的光子当哈勃距离增加到包含那个光子时，该光子就能接近并到达我们这里5、可观测宇宙有多大？大于“宇宙寿命乘以光速”n宇宙寿命约140亿年，但可观测距离大于140亿光年，可能三倍于140亿光年（约460亿光年）n在光子旅行的140亿年中，空间不断膨胀，所以观测距离大于140亿光年6、宇宙中的物体自身也膨胀吗？宇宙中的物体自身不膨胀n只是空间在膨胀，宇宙中相邻的星系并不膨胀。各星系原本被膨胀的空间拉开，但各星系间的相互引力逐渐压倒膨胀，形成“成团”结构，逐渐稳定到平衡的大小。三、虫洞三、虫洞时空隧道时

10、空隧道1、什么是虫洞？、什么是虫洞？ 虫洞是连接不同宇虫洞是连接不同宇宙的宙的“管道管道”，或连，或连接同一宇宙不同部分接同一宇宙不同部分的的“手柄手柄”n有虫洞的时空，拓扑结构复杂有虫洞的时空，拓扑结构复杂 单连通，多连通单连通，多连通n两种虫洞两种虫洞 洛伦兹虫洞洛伦兹虫洞 前往其他宇宙前往其他宇宙（可通过的时空隧道）（可通过的时空隧道） 前往本宇宙远方的捷前往本宇宙远方的捷径径 欧几里得虫洞欧几里得虫洞 前往未来前往未来 （瞬时通过）（瞬时通过） 前往过去前往过去2、虫洞的由来、虫洞的由来 1935年，爱因斯年，爱因斯坦坦罗森桥（不罗森桥（不可通过）可通过） n1957年，米斯纳与惠勒，

11、首次提出年，米斯纳与惠勒，首次提出“虫虫洞洞”这一名称（不可通过）这一名称（不可通过）n1985年萨根的小说年萨根的小说接触接触 通过时空隧道到织女星旅行通过时空隧道到织女星旅行n萨根最初用黑洞作萨根最初用黑洞作“时空隧道时空隧道”，索恩，索恩认为不行，建议他改用认为不行，建议他改用“虫洞虫洞”。n此后大量小说、电影描述此后大量小说、电影描述 通过时空隧道（洛伦兹虫洞，欧几里得通过时空隧道（洛伦兹虫洞，欧几里得虫洞）或制造虫洞）或制造“时间机器时间机器”：前往：前往未来未来，过去过去，远方远方。n真正的科学研究从真正的科学研究从1988年开始：年开始： 索恩，毛瑞斯，索恩，毛瑞斯，Yurtse

12、ver “时空中的虫洞及其在星际旅行中的用途时空中的虫洞及其在星际旅行中的用途” American Journal of Physics 56 (1988) 3953、制造虫洞的可能性、制造虫洞的可能性n目前的目前的“量子引力理论量子引力理论”并不排除改变并不排除改变时空拓扑的可能性，也不保证一定能造时空拓扑的可能性，也不保证一定能造出虫洞。出虫洞。n霍金：制造霍金：制造“虫洞虫洞”或改变或改变“时空拓扑时空拓扑”必定有闭合类时线出现。必定有闭合类时线出现。n时空涨落与时空泡沫时空涨落与时空泡沫 时空犹如海面，时空犹如海面， 远看很平，远看很平， 近看有波浪，近看有波浪， 再近看有泡沫与浪花再

13、近看有泡沫与浪花n宇宙诞生初期：剧烈的时空涨落，有可宇宙诞生初期：剧烈的时空涨落，有可能形成拓扑复杂的时空结构能形成拓扑复杂的时空结构泡沫与泡沫与浪花，即有可能形成虫洞，保留至今，浪花，即有可能形成虫洞，保留至今，并被放大。并被放大。天文望远镜所及的空间只是球体的一个小天文望远镜所及的空间只是球体的一个小斑点，我们宇宙很可能也是从同样的混沌斑点，我们宇宙很可能也是从同样的混沌状态中发生的状态中发生的宇宙一诞生就急剧膨胀，并在膨胀期间孕宇宙一诞生就急剧膨胀，并在膨胀期间孕育无数个宇宙，可称其为子宇宙、孙宇宙。育无数个宇宙，可称其为子宇宙、孙宇宙。我们宇宙之外很可能还有其他的宇宙我们宇宙之外很可能

14、还有其他的宇宙4、维持虫洞的可能性、维持虫洞的可能性负能困难负能困难 球对称虫洞：出、入口球对称，中间有球对称虫洞：出、入口球对称，中间有“喉喉” 维持虫洞需要负能量维持虫洞需要负能量n负能物质负能物质 加速方向与施力方向相反，加速方向与施力方向相反，F=ma (a0) 目前在宏观上未发现负能物质，负能物质目前在宏观上未发现负能物质，负能物质不是反物质，也不是暗物质。不是反物质，也不是暗物质。n卡西米尔效应卡西米尔效应 1948年，卡西米尔提出年，卡西米尔提出 金属板之间存在吸引力。金属板之间存在吸引力。 莱顿实验室证实板间有吸引力，相当于莱顿实验室证实板间有吸引力，相当于板间有负能密度板间有

15、负能密度 = 10-44kg/m3 = 1个基本粒子个基本粒子/10亿亿亿亿m3 （板间距为（板间距为1m时）时）n黑洞附近也有负能量，同样很弱。黑洞附近也有负能量，同样很弱。 撑开虫洞所需的负能物质。撑开虫洞所需的负能物质。 半径半径1cm的虫洞的虫洞地球质量的负能物质地球质量的负能物质 半径半径1km的虫洞的虫洞太阳质量的负能物质太阳质量的负能物质 半径半径1光年的虫洞光年的虫洞 大于银河系发光物质总大于银河系发光物质总 质量质量100倍的负能物质倍的负能物质5、通过虫洞的可能性、通过虫洞的可能性张力困难张力困难 张力与虫洞半径的平方成反比张力与虫洞半径的平方成反比 21rF 半径小于半径

16、小于1光年的虫洞，张力比原子不被破坏光年的虫洞，张力比原子不被破坏的最大值还大的最大值还大，不能作为星际航行通道。，不能作为星际航行通道。2半径）（以光年为单位的虫洞物质能承受的最大张力张力2maxrFF 即即n维持半径维持半径r1光年的虫洞（有可能作为旅光年的虫洞（有可能作为旅行通道），需要行通道），需要 的负能物质的负能物质mMM100MMm亿个10006、一个有趣的想法、一个有趣的想法只传递信息，不传递只传递信息，不传递物质。物质。 这样，可避开张力困难等很多困难，但这样，可避开张力困难等很多困难，但 （1）我们现在还不会复制生命）我们现在还不会复制生命 （2）复制的不仅是肉体，还必须包

17、括记）复制的不仅是肉体，还必须包括记 忆、意识、情感、智慧等等。忆、意识、情感、智慧等等。 复制必须是复制必须是“全息全息”的！的！四、时间机器四、时间机器n1895年威尔斯：时间机器年威尔斯：时间机器 H.G.Wells The Time Machine1.用虫洞创造时间机器用虫洞创造时间机器制备时间机器的要点：（1）有一个洛伦兹虫洞，两个洞口A与B的洞外距离L远远大于洞内距离l（2）一个洞口A不动，另一个洞口B高速远离又高速返回，且运动时间足够长构成闭合类时线，形成时间机器制造时间机器的时空有以下特点：（1）有一个因果性正常的时空区供我们生存（时间机器制备前）（2）有一个存在闭合类时线的时空区（存在时间机器）（3）此二时空区之间存在柯西视界，上面有闭合类光线2、能否回到、能否回到“过去过去”或影响或影响“过去过去”n这样破坏因果性这样破坏因果性n霍金的霍金的“时序保护时序保护”猜想：猜想： 物理规律不允许出现闭合类时线物理规律不允许出现闭合类时线 物理规律将阻止把信息传递到过去物理规律将阻止把信息传递到过去n诺维柯夫的的诺维柯夫的的“自洽性原理自洽性原理”什么物理规律呢？什么物理规律呢？n霍金认为：闭合类时线将导致真空极化霍金认为：闭合类时线将导致真空极化能量发散，破坏掉闭合类时线。能量发散，破坏掉闭合类时线。n此规律