虫洞相撞模拟：视界缩28%，引力波信号异于黑洞

黑洞的视界只能变大，不能变小——这是霍金1971年提出的面积定理给出的结论。但一项新的模拟里，一个"视界"在形成之后，面积缩水了大约28%。

先别急着说"推翻霍金"。这件事本身没那么玄，真正值得追问的是它为什么会发生，以及它和引力波有什么关系。

说人话就是：研究人员让两个虫洞迎面相撞，结果撞出了一个连黑洞都不该有的动作。

这项研究由莫斯科物理技术学院的物理学家 Nikita M. Shirokov 与俄罗斯高等经济学院的机器学习工程师 Ilya Nachevsky 合作完成，目前以预印本形式发布在 arXiv 上，尚未经过同行评审。

要理解这个结果，得先把"虫洞"从科幻片里拽出来。

你想到虫洞，脑子里大概是星际跳跃门、超空间通道。但虫洞本身是正经的数学产物——它来自爱因斯坦的广义相对论，这套理论把引力描述成时空的弯曲。理论上，时空可以被弯成这样一种形状：两个原本遥远的区域，被一条隧道（或者说"喉咙"）连在一起。

这种结构在真实宇宙里到底存不存在，目前仍是开放问题。

你可能听过"爱因斯坦-罗森桥"，那是一种不可穿越的虫洞。这次模拟用的是另一种模型：Ellis-Bronnikov 虫洞，一种可穿越的通道，靠所谓的"幻影标量场"撑开喉咙。

这个假想场有个古怪的性质——负能量。正是这种负能量顶住了喉咙，不让它自己塌回去。

"可穿越"不等于"稳定"。幻影标量场虽然能撑住喉咙，但哪怕一点点扰动，都可能打破这个微妙的平衡：喉咙要么塌成一个黑洞，要么进入一种失控膨胀的过程。

所以你可以想象，两个这么不稳定的东西撞在一起，场面应该相当壮观。

为了看清这场"烟花"，两位研究者对成对的 Ellis-Bronnikov 虫洞做了三维模拟，改变了它们的初始间距、运动轨迹，以及撑开喉咙的幻影标量场的性质。

结果出奇地多样。

• 有的配置下，两个虫洞互相吸引；有的则互相排斥。
• 有的只是擦肩而过，在近距离发生相互作用后各自飞开，喉咙在这个过程中剧烈膨胀。
• 有的则一头扎向对方——但它们没有合并成一个更大的虫洞。

最后这种情况才是真正奇怪的地方。两个喉咙周围形成了一个共同的"表观视界"——类似黑洞的事件视界——把它们一起包进了一个正在成形的黑洞里。

然后，这个视界做了一件视界不该做的事：它缩小了。

随着幻影标量场落入坍缩的区域，这个视界的面积减少了大约28%。

按照霍金的面积定理，黑洞事件视界的表面积只能增加或保持不变。但这条定理依赖一些关于能量行为的假设，而幻影标量场恰恰违反了这些假设——它的负能量特性让模拟中的视界可以缩小而不是长大。

这里要说清楚：这并不构成对面积定理的反驳。模拟里涉及的是表观视界而非事件视界，还引入了一个不满足定理前提的场。但即便如此，这个结果依然相当扎眼。

那么，这一切和引力波有什么关系？

当黑洞这类大质量天体螺旋靠近、最终相撞时，它们不断变化的运动会向时空里送出涟漪，就像船在水面留下的尾迹。这就是引力波。

虫洞——至少这项研究里建模的那种大质量 Ellis-Bronnikov 虫洞——在运动和相互作用时，也应该产生引力波。

但研究者发现，它们发出的信号和一对螺旋靠近的黑洞很不一样。

黑洞双星有一个标志性的信号，叫"啁啾"（chirp）：随着两个天体越靠越近，信号越来越强，频率也越来越高。

而虫洞相遇的模拟给出的，是短促、尖锐的引力波爆发。信号的具体形状和强度，取决于两个虫洞是一头撞上去，还是只是擦身而过。

值得注意的是，一些最接近的飞掠，即使没有形成共同的表观视界，也产生了格外强烈的引力波爆发。

但这不等于说：没有啁啾的引力波爆发就是虫洞的证据。在某些情况下，黑洞也能产生这类信号。

2019 年探测到的 GW190521 就是一个特别不寻常的信号，此后一直被拿来研究它是否可能带有某种奇异时空物理的印记。这不代表它由虫洞产生，新模拟也没有把它和那个事件建立任何联系。但它说明了一件事：搞清楚假想天体可能留下什么信号，是有意义的。

还有一个坎。研究者指出，如果虫洞形成于宇宙早期，它们产生的信号会被宇宙膨胀拉伸，频率低到 LIGO 以及计划中的 LISA 这类引力波天文台都探测不到。

要让这类信号可被探测，虫洞得在宇宙历史中晚得多的时候形成——而科学家目前并不知道这该如何发生。

不过，宇宙此前已经让我们意外过不止一次。至少现在，如果哪天真的记录到一场 Ellis-Bronnikov 虫洞碰撞的信号，我们大概会更清楚自己看到的是什么。