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新研究:弗里德曼宇宙中的可穿越虫洞

科学探索万象经验2024-01-24

你可能已经在科幻小说或电影中听说过虫洞,它们是一种假想的时空结构,可以连接宇宙中相距遥远的两个区域或者不同的宇宙。虫洞的概念最早由爱因斯坦和罗森在1935年提出,他们发现了一种解决广义相对论方程的方法,可以得到一种双曲面的几何形状,类似于两个无限长的圆柱体相连。这种解被称为爱因斯坦-罗森桥,或者简称为ER桥。

然而,ER桥并不是一个真正的虫洞,因为它不是可穿越的,也就是说,没有任何物质或信号可以从一个圆柱体的一端到达另一端,甚至光也不行。这是因为ER桥的喉部,也就是两个圆柱体相连的最窄的部分,是一个奇点,那里的时空曲率无限大,物理规律失效。而且,ER桥是不稳定的,一旦有任何微小的扰动,它就会塌缩。

那么,是否存在一种稳定的、可穿越的虫洞呢?这个问题在上个世纪80年代引起了物理学家的兴趣,特别是莫里斯·索恩和基普·索恩提出了一种新的虫洞解,被称为索恩-索恩桥,或者简称为SS桥。SS桥的特点是,它的喉部不是一个奇点,而是一个有限的球形区域,这个区域的物质具有负的能量密度,它违反了正能量条件。负能量的存在使得SS桥的喉部保持打开,从而允许物质或信号通过。

SS桥看起来很有趣,但是它也有一些问题。首先,负能量的存在性是非常有争议的,因为它可能导致一些悖论。其次,SS桥是静态的,也就是说,它不随时间变化,这意味着它必须是一个永恒存在的结构,而不是由某种物理过程产生的。这就引出了一个自然的问题:是否存在一种动态的、可穿越的虫洞,它可以在一个有限的时间内形成和消失,而不需要负能量?

弗里德曼宇宙中的虫洞

为了回答这个问题,我们需要考虑一个更加现实的宇宙模型,而不是一个空的、平坦的时空。一个很自然的选择是弗里德曼宇宙,这是一个由爱因斯坦方程描述的均匀、各向同性的宇宙,它可以包含不同的物质成分,比如尘埃、辐射、暗物质、暗能量等。弗里德曼宇宙是目前宇宙学的标准模型,它可以很好地解释我们的观测数据,比如宇宙的膨胀、宇宙微波背景辐射、大尺度结构等。

弗里德曼宇宙的一个重要特征是,它的几何形状可以是正曲率的、零曲率的或者负曲率的,这取决于宇宙的密度参数,也就是宇宙中的物质密度与临界密度的比值。如果密度参数大于1,那么宇宙是正曲率的,也就是说,它是一个有限的、闭合的球面,类似于地球的表面。如果密度参数等于1,那么宇宙是零曲率的,也就是说,它是一个无限的、平坦的平面,类似于我们平常的直觉。如果密度参数小于1,那么宇宙是负曲率的,也就是说,它是一个无限的、开放的双曲面,类似于马鞍的表面。

那么,弗里德曼宇宙中是否可能存在虫洞呢?这个问题在2023年由布朗尼科夫、卡沙金和苏什科夫三位物理学家进行了研究,他们发现了一种特殊的解,可以在一个闭合的弗里德曼宇宙中产生虫洞。这种解是一个已知的解的一个分支,被称为勒梅特-托尔曼-邦迪(LTB)解,它是爱因斯坦方程的一个球对称的、非均匀的、含有尘埃物质的解。LTB解可以描述一个坍缩的尘埃云,它可以形成一个黑洞或者一个裸奇点。


(www.Ws46.com)

布朗尼科夫等人发现,如果尘埃云的初始条件满足一定的要求,那么它可以在一个有限的时间内形成一个虫洞,而不是一个黑洞或者一个裸奇点。这个虫洞的喉部是一个有限的球形区域,它的半径随着时间的变化而变化,最终会收缩到零,导致虫洞的消失。这个虫洞的物质满足正能量条件,也就是说,它不需要负能量。

虫洞的性质和影响

弗里德曼宇宙中的虫洞有一些有趣的性质和影响,我们可以用一些简单的物理量来描述它们。一个重要的物理量是虫洞的喉部半径,它决定了虫洞的大小和可穿越性。布朗尼科夫等人发现,虫洞的喉部半径的最大值约为10^−3米,也就是说,它比一个头发丝还要细。这意味着,虽然虫洞是可穿越的,但是只有微观的粒子或波可以通过它,而不是宏观的物体或人类。

另一个重要的物理量是虫洞的寿命,它决定了虫洞的稳定性和持续性。布朗尼科夫等人发现,虫洞的寿命的最大值约为10^−23秒,也就是说,它比一个原子核的振动周期还要短。这意味着,虫洞是非常短暂的,它们在形成后很快就会消失,而不是永久存在的。

虽然弗里德曼宇宙中的虫洞是非常微小和短暂的,但是它们仍然可能对宇宙的演化和结构产生一些影响。一个可能的影响是,虫洞可以作为一种暗物质的候选者,因为它们可以提供一种额外的引力效应,从而影响星系的旋转曲线和宇宙的大尺度结构。另一个可能的影响是,虫洞可以作为一种原初黑洞的形成机制,因为它们可以在宇宙的早期阶段产生高密度的区域,从而促进引力坍缩的发生。