第9講膨脹的宇宙,蟲洞與時(shí)間機(jī)器

1、第九講第九講 膨脹的宇宙，蟲洞與時(shí)間機(jī)器膨脹的宇宙，蟲洞與時(shí)間機(jī)器趙崢趙崢北京師范大學(xué)物理系北京師范大學(xué)物理系一、膨脹的宇宙一、膨脹的宇宙二、關(guān)于大爆炸的錯誤觀念二、關(guān)于大爆炸的錯誤觀念三、蟲洞三、蟲洞時(shí)空隧道時(shí)空隧道四、時(shí)間機(jī)器四、時(shí)間機(jī)器一、膨脹的宇宙一、膨脹的宇宙愛因斯坦認(rèn)為：廣義相對論不該應(yīng)用于原子愛因斯坦認(rèn)為：廣義相對論不該應(yīng)用于原子現(xiàn)象的研究，而該應(yīng)用于對宇宙的研究?，F(xiàn)象的研究，而該應(yīng)用于對宇宙的研究。（強(qiáng)作用）（強(qiáng)作用）電磁作用電磁作用 （弱作用）（弱作用） 萬有引力萬有引力 電磁作用比引力作用強(qiáng)約電磁作用比引力作用強(qiáng)約 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，古往今來曰宙。古往今來曰宙。 淮南子淮南子原道訓(xùn)原道訓(xùn) 宇：空間；宙：時(shí)間宇：空間；宙：時(shí)間宇宙就是時(shí)間、空間及物質(zhì)的總稱宇宙就是時(shí)間、空間及物質(zhì)的總稱1、宇宙學(xué)原理、宇宙學(xué)原理n宇宙的結(jié)構(gòu)宇宙的結(jié)構(gòu) 太陽系：太陽系： 光年光年 星系：星系： 光年（光年（10萬光年）萬光年） 星系團(tuán)：星系團(tuán)： 光年光年 觀測表明：在比觀測表明：在比 光年更大的尺度，宇宙是光年更大的尺度，宇宙是均勻各向同性的。均勻各向同性的。5107101810 宇宙學(xué)原理：在宇觀尺度上，物質(zhì)的宇宙學(xué)原理：在宇觀尺度上，物質(zhì)的分布始終是均勻各向同性的分布始終是均勻各向同性的望遠(yuǎn)鏡不僅在看望遠(yuǎn)鏡

3、不僅在看遠(yuǎn)方遠(yuǎn)方，而且在看而且在看歷史歷史！ 2、愛因斯坦有限無邊的宇宙、愛因斯坦有限無邊的宇宙愛因斯坦：有限，無邊的靜態(tài)宇宙模型愛因斯坦：有限，無邊的靜態(tài)宇宙模型 加入宇宙項(xiàng)加入宇宙項(xiàng)kTRgR21（宇宙項(xiàng)）（宇宙項(xiàng)） 3、膨脹的宇宙、膨脹的宇宙弗利德曼弗利德曼 膨脹或脈動的宇宙（膨脹或脈動的宇宙（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對火球

4、模型的支持對火球模型的支持n星系紅移（哈勃定律）星系紅移（哈勃定律）n氦豐度氦豐度n3K微波背景輻射（微波背景輻射（1964年，彭齊亞斯，年，彭齊亞斯，威爾遜）威爾遜）膨脹的宇宙膨脹的宇宙(示意圖示意圖)膨脹的宇宙示意圖膨脹的宇宙示意圖 4、宇宙的未來、宇宙的未來n無限無邊的膨脹宇宙無限無邊的膨脹宇宙(K 0)n有限無邊的脈動宇宙有限無邊的脈動宇宙(K 0)宇宙未來如何演化？宇宙未來如何演化？n臨界密度臨界密度 個(gè)氫原子個(gè)氫原子/米米33cccc000kkk脈動脈動膨脹膨脹膨脹膨脹 5、暗物質(zhì)與暗能量、暗物質(zhì)與暗能量n對對Ia型超新星的觀測表明，現(xiàn)階段宇宙型超新星的觀測表明，現(xiàn)階段宇宙膨脹不是

5、減速，而是加速。膨脹不是減速，而是加速。n暗物質(zhì)使膨脹減速暗物質(zhì)使膨脹減速 暗能量使膨脹加速暗能量使膨脹加速n暗物質(zhì)成團(tuán)分布暗物質(zhì)成團(tuán)分布 ，吸引效應(yīng)，吸引效應(yīng) 暗能量均勻分布，排斥效應(yīng)暗能量均勻分布，排斥效應(yīng)暗物質(zhì)與暗能量暗物質(zhì)與暗能量物質(zhì)物質(zhì)亮星亮星暗物質(zhì)暗物質(zhì)暗能量暗能量重子重子熱暗物質(zhì)熱暗物質(zhì)(中微子中微子)冷暗物質(zhì)冷暗物質(zhì)起源于起源于動力學(xué)暗能量動力學(xué)暗能量廣義相對論在宇觀尺度失效廣義相對論在宇觀尺度失效0.5%4%0.3%29%65%暗能量最大的可能是宇宙學(xué)常數(shù)的效應(yīng)暗能量最大的可能是宇宙學(xué)常數(shù)的效應(yīng)愛因斯坦認(rèn)為自己一生所犯的最大錯誤愛因斯坦認(rèn)為自己一生所犯的最大錯誤很可能不是錯誤

6、很可能不是錯誤評論評論 自然科學(xué)從哥白尼開始，至今才自然科學(xué)從哥白尼開始，至今才500年，我們對宇宙，特別是早期宇宙年，我們對宇宙，特別是早期宇宙的了解還十分不夠。可以肯定的是，我的了解還十分不夠?？梢钥隙ǖ氖?，我們的宇宙是均勻的、無邊的、膨脹的、們的宇宙是均勻的、無邊的、膨脹的、不斷演化的。不斷演化的。 不過，對宇宙演化的詳細(xì)描述往往不過，對宇宙演化的詳細(xì)描述往往基礎(chǔ)不牢，會隨著觀測資料的更新和科基礎(chǔ)不牢，會隨著觀測資料的更新和科學(xué)水平的提高，而不斷改變，因此會不學(xué)水平的提高，而不斷改變，因此會不停地有新的宇宙學(xué)理論產(chǎn)生。停地有新的宇宙學(xué)理論產(chǎn)生。 千萬別去追一輛公共汽車、一個(gè)女千萬別去追一

7、輛公共汽車、一個(gè)女人、或者一個(gè)宇宙學(xué)的新理論，因?yàn)橛貌蝗?、或者一個(gè)宇宙學(xué)的新理論，因?yàn)橛貌涣硕嗑媚憔蜁鹊较乱粋€(gè)。了多久你就會等到下一個(gè)。二、關(guān)于“大爆炸”的錯誤觀念1、“大爆炸”是什么種類的膨脹？不是在空間中膨脹，而是空間本身膨脹n不是先有時(shí)空，然后在空間某一點(diǎn)發(fā)生大爆炸，而是時(shí)空與物質(zhì)同時(shí)從大爆炸中產(chǎn)生。n膨脹沒有中心，或說每一點(diǎn)都是膨脹的中心n膨脹物質(zhì)沒有邊界n各點(diǎn)密度、壓強(qiáng)相同，不存在壓強(qiáng)差2、宇宙學(xué)紅移是多普勒效應(yīng)嗎？ 宇宙學(xué)紅移不是多普勒效應(yīng)，而是空間膨脹效應(yīng)，其紅移量不同于多普勒效應(yīng)n多普勒效應(yīng)是光源在空間中運(yùn)動造成的，宇宙學(xué)紅移則是空間本身膨脹造成的。n多普勒效應(yīng)中，光源發(fā)出的

8、光各向異性；空間膨脹效應(yīng)中，光源發(fā)出的光各向同性n多普勒效應(yīng)中，光在離開光源時(shí)波長已發(fā)生改變，傳播過程中波長不再變化；空間膨脹效應(yīng)中，光在離開光源時(shí)波長未發(fā)生改變，傳播過程中，波長被空間膨脹逐漸拉長，發(fā)生變化。3、河外星系的退行速度可以超光速嗎？退行速度可以超光速n星系退行速度隨距離增大而增加，退行速度達(dá)到光速的距離稱“哈勃距離”（140億光年）d=c/Hn哈勃距離之外，退行速度超過光速n這不違背狹義相對論n退行速度不是物體在空間中的運(yùn)動速度，也不是信號傳播速度，而是空間膨脹造成的。4、我們能看見退行速度比光速快的星系嗎？我們能看見退行速度比光速快的星系n哈勃距離d=c/H依賴于哈勃參數(shù)（哈勃

9、 參數(shù)隨時(shí)間增大而減小，哈勃距離隨時(shí)間增加而增大。v=Hd哈勃定律，哈勃距離d=c/H）n原本看不到的光子當(dāng)哈勃距離增加到包含那個(gè)光子時(shí)，該光子就能接近并到達(dá)我們這里5、可觀測宇宙有多大？大于“宇宙壽命乘以光速”n宇宙壽命約140億年，但可觀測距離大于140億光年，可能三倍于140億光年（約460億光年）n在光子旅行的140億年中，空間不斷膨脹，所以觀測距離大于140億光年6、宇宙中的物體自身也膨脹嗎？宇宙中的物體自身不膨脹n只是空間在膨脹，宇宙中相鄰的星系并不膨脹。各星系原本被膨脹的空間拉開，但各星系間的相互引力逐漸壓倒膨脹，形成“成團(tuán)”結(jié)構(gòu)，逐漸穩(wěn)定到平衡的大小。三、蟲洞三、蟲洞時(shí)空隧道時(shí)

10、空隧道1、什么是蟲洞？、什么是蟲洞？ 蟲洞是連接不同宇蟲洞是連接不同宇宙的宙的“管道管道”，或連，或連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有蟲洞的時(shí)空，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜有蟲洞的時(shí)空，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜 單連通，多連通單連通，多連通n兩種蟲洞兩種蟲洞 洛倫茲蟲洞洛倫茲蟲洞 前往其他宇宙前往其他宇宙（可通過的時(shí)空隧道）（可通過的時(shí)空隧道） 前往本宇宙遠(yuǎn)方的捷前往本宇宙遠(yuǎn)方的捷徑徑 歐幾里得蟲洞歐幾里得蟲洞 前往未來前往未來 （瞬時(shí)通過）（瞬時(shí)通過） 前往過去前往過去2、蟲洞的由來、蟲洞的由來 1935年，愛因斯年，愛因斯坦坦羅森橋（不羅森橋（不可通過）可通過） n1957年，米斯納與惠勒，

11、首次提出年，米斯納與惠勒，首次提出“蟲蟲洞洞”這一名稱（不可通過）這一名稱（不可通過）n1985年薩根的小說年薩根的小說接觸接觸 通過時(shí)空隧道到織女星旅行通過時(shí)空隧道到織女星旅行n薩根最初用黑洞作薩根最初用黑洞作“時(shí)空隧道時(shí)空隧道”，索恩，索恩認(rèn)為不行，建議他改用認(rèn)為不行，建議他改用“蟲洞蟲洞”。n此后大量小說、電影描述此后大量小說、電影描述 通過時(shí)空隧道（洛倫茲蟲洞，歐幾里得通過時(shí)空隧道（洛倫茲蟲洞，歐幾里得蟲洞）或制造蟲洞）或制造“時(shí)間機(jī)器時(shí)間機(jī)器”：前往：前往未來未來，過去過去，遠(yuǎn)方遠(yuǎn)方。n真正的科學(xué)研究從真正的科學(xué)研究從1988年開始：年開始： 索恩，毛瑞斯，索恩，毛瑞斯，Yurtse

12、ver “時(shí)空中的蟲洞及其在星際旅行中的用途時(shí)空中的蟲洞及其在星際旅行中的用途” American Journal of Physics 56 (1988) 3953、制造蟲洞的可能性、制造蟲洞的可能性n目前的目前的“量子引力理論量子引力理論”并不排除改變并不排除改變時(shí)空拓?fù)涞目赡苄?，也不保證一定能造時(shí)空拓?fù)涞目赡苄?，也不保證一定能造出蟲洞。出蟲洞。n霍金：制造霍金：制造“蟲洞蟲洞”或改變或改變“時(shí)空拓?fù)鋾r(shí)空拓?fù)洹北囟ㄓ虚]合類時(shí)線出現(xiàn)。必定有閉合類時(shí)線出現(xiàn)。n時(shí)空漲落與時(shí)空泡沫時(shí)空漲落與時(shí)空泡沫 時(shí)空猶如海面，時(shí)空猶如海面， 遠(yuǎn)看很平，遠(yuǎn)看很平， 近看有波浪，近看有波浪， 再近看有泡沫與浪花再

13、近看有泡沫與浪花n宇宙誕生初期：劇烈的時(shí)空漲落，有可宇宙誕生初期：劇烈的時(shí)空漲落，有可能形成拓?fù)鋸?fù)雜的時(shí)空結(jié)構(gòu)能形成拓?fù)鋸?fù)雜的時(shí)空結(jié)構(gòu)泡沫與泡沫與浪花，即有可能形成蟲洞，保留至今，浪花，即有可能形成蟲洞，保留至今，并被放大。并被放大。天文望遠(yuǎn)鏡所及的空間只是球體的一個(gè)小天文望遠(yuǎn)鏡所及的空間只是球體的一個(gè)小斑點(diǎn)，我們宇宙很可能也是從同樣的混沌斑點(diǎn)，我們宇宙很可能也是從同樣的混沌狀態(tài)中發(fā)生的狀態(tài)中發(fā)生的宇宙一誕生就急劇膨脹，并在膨脹期間孕宇宙一誕生就急劇膨脹，并在膨脹期間孕育無數(shù)個(gè)宇宙，可稱其為子宇宙、孫宇宙。育無數(shù)個(gè)宇宙，可稱其為子宇宙、孫宇宙。我們宇宙之外很可能還有其他的宇宙我們宇宙之外很可能

14、還有其他的宇宙4、維持蟲洞的可能性、維持蟲洞的可能性負(fù)能困難負(fù)能困難 球?qū)ΨQ蟲洞：出、入口球?qū)ΨQ，中間有球?qū)ΨQ蟲洞：出、入口球?qū)ΨQ，中間有“喉喉” 維持蟲洞需要負(fù)能量維持蟲洞需要負(fù)能量n負(fù)能物質(zhì)負(fù)能物質(zhì) 加速方向與施力方向相反，加速方向與施力方向相反，F(xiàn)=ma (a0) 目前在宏觀上未發(fā)現(xiàn)負(fù)能物質(zhì)，負(fù)能物質(zhì)目前在宏觀上未發(fā)現(xiàn)負(fù)能物質(zhì)，負(fù)能物質(zhì)不是反物質(zhì)，也不是暗物質(zhì)。不是反物質(zhì)，也不是暗物質(zhì)。n卡西米爾效應(yīng)卡西米爾效應(yīng) 1948年，卡西米爾提出年，卡西米爾提出 金屬板之間存在吸引力。金屬板之間存在吸引力。 萊頓實(shí)驗(yàn)室證實(shí)板間有吸引力，相當(dāng)于萊頓實(shí)驗(yàn)室證實(shí)板間有吸引力，相當(dāng)于板間有負(fù)能密度板間有

15、負(fù)能密度 = 10-44kg/m3 = 1個(gè)基本粒子個(gè)基本粒子/10億億億億m3 （板間距為（板間距為1m時(shí)）時(shí)）n黑洞附近也有負(fù)能量，同樣很弱。黑洞附近也有負(fù)能量，同樣很弱。 撐開蟲洞所需的負(fù)能物質(zhì)。撐開蟲洞所需的負(fù)能物質(zhì)。 半徑半徑1cm的蟲洞的蟲洞地球質(zhì)量的負(fù)能物質(zhì)地球質(zhì)量的負(fù)能物質(zhì) 半徑半徑1km的蟲洞的蟲洞太陽質(zhì)量的負(fù)能物質(zhì)太陽質(zhì)量的負(fù)能物質(zhì) 半徑半徑1光年的蟲洞光年的蟲洞 大于銀河系發(fā)光物質(zhì)總大于銀河系發(fā)光物質(zhì)總 質(zhì)量質(zhì)量100倍的負(fù)能物質(zhì)倍的負(fù)能物質(zhì)5、通過蟲洞的可能性、通過蟲洞的可能性張力困難張力困難 張力與蟲洞半徑的平方成反比張力與蟲洞半徑的平方成反比 21rF 半徑小于半徑

16、小于1光年的蟲洞，張力比原子不被破壞光年的蟲洞，張力比原子不被破壞的最大值還大的最大值還大，不能作為星際航行通道。，不能作為星際航行通道。2半徑）（以光年為單位的蟲洞物質(zhì)能承受的最大張力張力2maxrFF 即即n維持半徑維持半徑r1光年的蟲洞（有可能作為旅光年的蟲洞（有可能作為旅行通道），需要行通道），需要 的負(fù)能物質(zhì)的負(fù)能物質(zhì)mMM100MMm億個(gè)10006、一個(gè)有趣的想法、一個(gè)有趣的想法只傳遞信息，不傳遞只傳遞信息，不傳遞物質(zhì)。物質(zhì)。 這樣，可避開張力困難等很多困難，但這樣，可避開張力困難等很多困難，但 （1）我們現(xiàn)在還不會復(fù)制生命）我們現(xiàn)在還不會復(fù)制生命 （2）復(fù)制的不僅是肉體，還必須包

17、括記）復(fù)制的不僅是肉體，還必須包括記 憶、意識、情感、智慧等等。憶、意識、情感、智慧等等。 復(fù)制必須是復(fù)制必須是“全息全息”的！的！四、時(shí)間機(jī)器四、時(shí)間機(jī)器n1895年威爾斯：時(shí)間機(jī)器年威爾斯：時(shí)間機(jī)器 H.G.Wells The Time Machine1.用蟲洞創(chuàng)造時(shí)間機(jī)器用蟲洞創(chuàng)造時(shí)間機(jī)器制備時(shí)間機(jī)器的要點(diǎn)：（1）有一個(gè)洛倫茲蟲洞，兩個(gè)洞口A與B的洞外距離L遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于洞內(nèi)距離l（2）一個(gè)洞口A不動，另一個(gè)洞口B高速遠(yuǎn)離又高速返回，且運(yùn)動時(shí)間足夠長構(gòu)成閉合類時(shí)線，形成時(shí)間機(jī)器制造時(shí)間機(jī)器的時(shí)空有以下特點(diǎn)：（1）有一個(gè)因果性正常的時(shí)空區(qū)供我們生存（時(shí)間機(jī)器制備前）（2）有一個(gè)存在閉合類時(shí)線的時(shí)空區(qū)（存在時(shí)間機(jī)器）（3）此二時(shí)空區(qū)之間存在柯西視界，上面有閉合類光線2、能否回到、能否回到“過去過去”或影響或影響“過去過去”n這樣破壞因果性這樣破壞因果性n霍金的霍金的“時(shí)序保護(hù)時(shí)序保護(hù)”猜想：猜想： 物理規(guī)律不允許出現(xiàn)閉合類時(shí)線物理規(guī)律不允許出現(xiàn)閉合類時(shí)線 物理規(guī)律將阻止把信息傳遞到過去物理規(guī)律將阻止把信息傳遞到過去n諾維柯夫的的諾維柯夫的的“自洽性原理自洽性原理”什么物理規(guī)律呢？什么物理規(guī)律呢？n霍金認(rèn)為：閉合類時(shí)線將導(dǎo)致真空極化霍金認(rèn)為：閉合類時(shí)線將導(dǎo)致真空極化能量發(fā)散，破壞掉閉合類時(shí)線。能量發(fā)散，破壞掉閉合類時(shí)線。n此規(guī)律