FEATURED STORY / 01

新研究!物理学家模拟了两个虫洞的碰撞,结果很诡异

两个虫洞相撞会发生什么? 最近一项基于广义相对论的三维数值相对论模拟给出了一个答案,相关研究于26年10月9日发表在预印本平台。 我们能很多人对虫洞的印象基本都是来自科幻情节:一条贯穿宇宙的隧道,进去就能瞬间到达几万光年外。 其实这不全是幻想,它是爱因斯坦广义相对论里自然推导出的可能:既然引力能把时空压弯,那理论上也能把两个相隔很远的地方对折,中间连一条通道,这就是虫洞。 不过虫洞和虫洞也不一样。

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两个虫洞相撞会发生什么? 最近一项基于广义相对论的三维数值相对论模拟给出了一个答案,相关研究于26年10月9日发表在预印本平台。 我们能很多人对虫洞的印象基本都是来自科幻情节:一条贯穿宇宙的隧道,进去就能瞬间到达几万光年外。 其实这不全是幻想,它是爱因斯坦广义相对论里自然推导出的可能:既然引力能把时空压弯,那理论上也能把两个相隔很远的地方对折,中间连一条通道,这就是虫洞。 不过虫洞和虫洞也不一样。 最早提出的爱因斯坦-罗森桥,是无法穿越的虫洞,通道会在任何物质穿过前就自行坍缩,根本实现不了穿越。 后来科学家又提出了一种新模型--埃利斯-布隆尼科夫虫洞模型:这种虫洞靠一种假想的特殊力场撑住隧道最狭窄的喉部,不让它坍缩,支撑喉部的这种力场是一种奇异的负能量物质,它能抵消引力的收缩,让通道保持敞开,从而让物质可以穿过去。 但这种可穿越虫洞有个致命的缺陷:极不稳定。 哪怕只有极其微小的扰动,喉咙要么会坍缩成一个黑洞,要么会不受控制地膨胀开。 因此单个虫洞本身就很难长期稳定存在,而两个虫洞相遇,这就更让天文学家好奇它们相遇之后会发生什么。 在这次研究中,研究团队用数值相对论方法,模拟了一对埃利斯-布隆尼科夫虫洞的各种情况:两个虫洞初始距离远还是近,是迎头撞还是擦肩而过,撑住它们的力场性质一样还是相反。 最终模拟的结果远比想象更加奇特,它们远不是简单的相撞合并或者互相弹开。 首先它们遵循一个很像磁铁的规律:撑住虫洞的力场性质相同的两个虫洞,会互相排斥;性质相反的,会互相吸引。 如果是两个互相排斥的虫洞擦肩而过,它们不会撞在一起,只会在离得最近的时候互相挤一下。 这一挤,两个虫洞的喉部都会明显变大,同时向外发出一波强烈的引力波,离得越近,爆发的强度越高,整个过程很快,没有什么拉扯的过程,就留下一个短促的脉冲信号,接触完两个虫洞就各自分开,继续自己的演化。 如果是两个互相吸引的虫洞迎头撞上,更奇怪的事就发生了。 它们不会合并成一个更大的虫洞,按照相对论的规律,时空的连接方式不能凭空改变,两条隧道没法拼成一条,相反,会在两个虫洞的外面,形成一层类似黑洞边界的时空外壳,把它们整个包在里面,远远看去就像形成了一个黑洞,而在这层外壳内部,两个虫洞的通道还暂时保持着开放。 但接下来的事情,和普通黑洞完全相反:这层外壳的面积,居然越变越小,最多的时候缩小了28%。 黑洞呢,有一条定律:黑洞的表面积只会越来越大,这是霍金提出的黑洞面积定律。 但这个定律有个严格的前提:黑洞周围的物质和能量都满足非负的常规条件。 而撑住虫洞的是负能量的力场,当这些负能量被外壳吞掉,外壳就会收缩,这不是推翻了物理定律,只是这种特殊场景不满足定律的适用前提。 到最后,整个系统会持续收缩,越来越接近一个普通的黑洞。 那这种虫洞碰撞与黑洞碰撞产生的引力波信号,到底哪里不一样? 它们最核心的区别是:黑洞碰撞有漫长的前奏,而虫洞没有。 两个黑洞撞之前,会绕着对方转很多圈,越转越快,越靠越近,它们发出的引力波频率就会越来越高、振幅越来越大,就像鸟叫的啁啾声,最后才撞在一起,这是我们最熟悉的引力波波形。 但虫洞根本走不到这一步。 原因有两个: 第一,虫洞寿命太短了,哪怕是30倍太阳质量的虫洞,从出现到坍缩也就几毫秒,就算是十亿倍太阳质量的超大质量虫洞,寿命也只有3.5天左右,根本没有时间慢慢绕圈。 第二,虫洞辐射出的负能量波动,不但不会消耗轨道的能量让它们越转越近,反而会给轨道提供能量,把它们往外推,所以两个虫洞要么一出生就挨在一起直接撞,要么就是擦肩而过分开,永远不会有慢慢旋近的过程。 所以虫洞碰撞的引力波信号,都是短促、干脆的一下爆发,没有逐渐升高的啁啾前奏。 除此之外,还会伴随一种和引力波性质不同的空间波动,这也是普通黑洞碰撞没有的特征。 那我们现在能探测到这种信号吗? 研究人员说,如果虫洞是宇宙早期诞生的,那它们碰撞的信号会被宇宙的膨胀不断拉长,频率会变得特别低,不管是现在的地面引力波探测器,还是未来计划里的空间探测器,都测不到。 除非虫洞是宇宙诞生很久之后才形成的,但目前我们还不知道有什么自然机制能做到。 不过这项研究依然很有意义。 现在我们的引力波数据库里,还有不少解释不清的短脉冲信号,以前我们都默认是黑洞的某种特殊碰撞。 现在我们知道了,虫洞相撞也会留下类似的痕迹,所以反过来,如果未来我们抓到一个没有前奏的短脉冲,还带着特殊的波动特征,那它说不定就是人类找到的第一个虫洞存在的证据。 当然,这一切现在都还只是理论计算。 这种能穿越的虫洞本身,就建立在假想的负能量力场上,这种场到底存不存在,科学界还没有定论。 但这项研究给了我们一把标尺:如果宇宙里真的有虫洞,它们撞起来会是什么样,会发出什么样的信号。 等未来我们的探测器越来越灵敏,就能拿着这把尺子,在宇宙的背景噪音里,寻找这种最奇

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