第9讲膨胀的宇宙,虫洞与时间机器

6、一个有趣的想法——只传递信息，不传递 物质。 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 （2）复制的不仅是肉体，还必须包括记 忆、意识、情感、智慧等等。 复制必须是“全息”的！
四、时间机器
1895年威尔斯：时间机器 H.G.Wells 《The Time Machine》
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——泡沫与 浪花，即有可能形成虫洞，保留至今， 并被放大。
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 状态中发生的
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。 我们宇宙之外很可能还有其他的宇宙
第九讲 膨胀的宇宙，虫洞与时间机器
赵峥 北京师范大学物理系
一、膨胀的宇宙 二、关于大爆炸的错误观念 三、虫洞——时空隧道 四、时间机器
一、膨胀的宇宙
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。
（强作用）
1
电磁作用
102
（弱作用）
1014
万有引力
1039
电磁作用比引力作用强约1037 倍。
临界密度 c 3 个氢原子/米3
c k 0 脉动 c k 0 膨胀 c k 0 膨胀
5、暗物质与暗能量
对Ia型超新星的观测表明，现阶段宇宙 膨胀不是减速，而是加速。
暗物质使膨胀减速 暗能量使膨胀加速
暗物质成团分布 ，吸引效应 暗能量均匀分布，排斥效应
只闻白日升天去， 不见青天降下来。 有朝一日天破了， 大家齐喊阿癐癐。
唐寅 题《白日升天图》
谢 谢！
人有了知识，就会具备各种分析能力， 明辨是非的能力。 所以我们要勤恳读书，广泛阅读， 古人说“书中自有黄金屋。 ”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识， 培养逻辑思维能力； 通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平， 培养文学情趣； 通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。 有许多书籍还能培养我们的道德情操， 给我们巨大的精神力量， 鼓舞我们前进。
什么是宇宙？
四方上下曰宇， 古往今来曰宙。
《淮南子·原道训》
宇：空间；宙：时间 宇宙就是时间、空间及物质的总称
1、宇宙学原理
宇宙的结构
太阳系： 1 光年
星系： 105 光年（10万光年） 星系团： 107 光年 观测表明：在比 108 光年更大的尺度，宇宙是 均匀各向同性的。
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
American Journal of Physics 56
(1988) 395
3、制造虫洞的可能性
目前的“量子引力理论”并不排除改变 时空拓扑的可能性，也不保证一定能造 出虫洞。
霍金：制造“虫洞”或改变“时空拓扑” 必定有闭合类时线出现。
时空涨落与时空泡沫 时空犹如海面， 远看很平， 近看有波浪， 再近看有泡沫与浪花
1 F~
r2
张力 物质能承受的最大张力 （以光年为单位的虫洞半径）2
即 F Fmax r2
∴半径小于1光年的虫洞，张力比原子不被破坏 的最大值还大，不能作为星际航行通道。
维持半径r≥1光年的虫洞（有可能作为旅
行通道），需要 M 100M m 的负能物质
M m 1000亿个M
炸，而是时空与物质同时从大爆炸中产生。 膨胀没有中心，或说每一点都是膨胀的中心 膨胀物质没有边界 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
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。
暗物质与暗能量
物质
亮星 暗物质
暗能量
重子
0.5% 4%
热暗物质(中微子) 冷暗物质
0.3% 29%
起源于Λ
动力学暗能量
65%
广义相对论在宇观尺度失效
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 很可能不是错误
评论
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 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、 不断演化的。
有虫洞的时空，拓扑结构复杂
单连通，多连通
两种虫洞
洛伦兹虫洞
前往其他宇宙
（可通过的时空隧道） 前往本宇宙远方的捷 径
欧几里得虫洞
前往未来
（瞬时通过）
前往过去
2、虫洞的由来
1935年，爱因斯 坦——罗森桥（不 可通过）
1957年，米斯纳与惠勒，首次提出“虫 洞”这一名称（不可通过）
4、维持虫洞的可能性——负能困难 球对称虫洞：出、入口球对称，中间有
“喉”
维持虫洞需要负能量
负能物质
加速方向与施力方向相反，F=ma (a<0) 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。
卡西米尔效应 1948年，卡西米尔提出
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 板间有负能密度 = 10-44kg/m3
望远镜不仅在看远方， 而且在看历史！
2、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 加入宇宙项
R

1 2
g R

kT
（宇宙项）
3、膨胀的宇宙
弗利德曼 膨胀或脉动的宇宙（1922年）
勒梅特神父 “宇宙蛋” （1927年）
哈勃定律
V=HD
（1929年）
伽莫夫 αβγ 火球模型 （1948年）
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。
此规律也许是热力学定律？ 例如热力学第二定律？
物理学中的两个特别理论 广义相对论：时空弯曲 热力学：时间有方向
如果天空中出现一个球对称的虫洞入口， 大家会看到
洞天石扉， 訇然中开， 青冥浩荡不见底
…… ——李白
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” 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） 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
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 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。
千万别去追一辆公共汽车、一个女 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。
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 不是先有时空，然后在空间某一点发生大爆
= 1个基本粒子/10亿亿m3 （板间距为1m时）
黑洞附近也有负能量，同样很弱。 撑开虫洞所需的负能物质。 半径1cm的虫洞——地球质量的负能物质 半径1km的虫洞——太阳质量的负能物质 半径1光年的虫洞 ——大于银河系发光物质总 质量100倍的负能物质
5、通过虫洞的可能性——张力困难 张力与虫洞半径的平方成反比
1.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）
多普勒效应中，光源发出的光各向异性；空间 膨胀效应中，光源发出的光各向同性
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 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/H 哈勃距离之外，退行速度超过光速 这不违背狭义相对论 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
哈勃距离d=c/H依赖于哈勃参数（哈勃 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）
（大爆炸模型）
勒梅特和伽莫夫提出了 宇宙演化的思想
哈勃定律
对火球模型的支持
星系红移（哈勃定律） 氦丰度 3K微波背景辐射（1964年，彭齐亚斯，
威尔逊）
膨胀的宇宙(示意图)
膨胀的宇宙示意图
4、宇宙的未来
无限无边的膨胀宇宙宇宙未来如何演化？
6、宇宙中的物体自身也膨胀吗？
宇宙中的物体自身不膨胀 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——时空隧道
1、什么是虫洞？ 虫洞是连接不同宇
宙的“管道”，或连 接同一宇宙不同部分 的“手柄”
（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“过去”或影响“过去” 这样破坏因果性 霍金的“时序保护”猜想：
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 诺维柯夫的的“自洽性原理”
什么物理规律呢？