宇宙位于虫洞内核 穿越虫洞不是梦

访客 虫洞 2015-08-15 00:00:00

宇宙位于虫洞内核 星际穿越将比想象容易

虫洞被科学家们认为是连接多维宇宙的通道,然而,根据美国印第安纳大学的理论物理学家最新研究发现,我们的宇宙可能自大爆炸之前,一直处于两个宇宙相连接的时空管道,即一个虫洞的内部。根据大爆炸理论,宇宙是由一个致密致热的奇点膨胀到现在的状态的。这是宇宙物理学关于宇宙起源的主流理论,现在宇宙物理学的几乎所有研究都与宇宙大爆炸理论有关,或者是它的延伸。但是,大爆炸理论无法回答我们的宇宙在大爆炸发生之前到底是什么样子。


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  虫洞亦可能是连接黑洞和白洞的时空隧道,所以也叫“灰道”。在这时,白洞可以看成时间呈现反转的黑洞,进入黑洞的物质,最后应会从白洞出来,出现在另外一个宇宙。这是本次研究中一个非常重要的概念。

 

  虫洞于理论上提供了时间旅行的可能性。霍金在《时间简史》中阐述:一个空间旅行者可利用相对于地球静止的虫洞作为从事件A到B的捷径,然后通过一个运动的虫洞返回,并在他出发之前回到地球。


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  人们曾一度倾向于描述一个简单的宇宙,其中能量和密度都以物质的形式出现:4%的普通物质,加上96%的暗物质。但实际观测从来就没有与此相符合过,且这种不一致随着时间流逝而变得越来越尖锐。暗能量的概念,在此时应运而生,试图将宇宙结构及其特性合理化。这种不可见的、能推动宇宙运动的能量,可以解释观测到的物质密度和理论预言的临界密度之间70%至80%的差异。

 

  之前,利用基于欧几里得坐标系统的各向同性坐标,印第安纳大学的理论物理学家尼科德姆·波普瓦夫斯基描述了黑洞引力场,并为黑洞内大质量粒子径向(沿着直径的方向)行动建模。根据其计算,在大爆炸之前我们的宇宙就处于虫洞中:由另一个宇宙中某巨大星体的坍塌创造的一个虫洞,成为了通向另一个宇宙的时空管道。在虫洞的此端与彼端间,可能发展出与大爆炸相联系的类似环境,我们的宇宙,最终就于这个虫洞中诞生。


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  波普瓦夫斯基描述的场景乍听起来匪夷所思,但以该理论为基底,却能解决多项宇宙学中令人困惑的谜题,解释目前人们观察到的宇宙膨胀现象。

 

  这其中,就包括引力、宇宙膨胀与暗能量的纠结关系:如果有另一个宇宙,其在我们的宇宙之前就已经存在,引力就可追溯到一个点上,该点强弱核力与电磁力已经统一起来。同时,若我们身处的宇宙现在正在向虫洞末端膨胀的话,这种运动就能够解释宇宙的膨胀,而不必引入至今难以捉摸的暗能量。


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  在该次建模过程中,研究人员着重于两种不同类型的黑洞,观察粒子穿越其“事件穹界”(黑洞的边界)上的径向运动。他们的观点是:物体在黑洞内部的运动模式只有通过实验和实际观察才能得知,但自始以来人们只能观察到黑洞的外部,无法窥其内在,除非一个观察者进入黑洞内部或者原本就居住在黑洞内部。但如果我们的宇宙本身就处在另外一个更大宇宙的黑洞之中,那么就可以满足这个条件。

  然而现在仍需要更多的证据来证实,如果证实的话,或许我们以后可以进行时间旅行,到达另一个世界。

虫洞连接黑洞及多维宇宙 开辟时空穿越通道

NASA最新一项科学研究数据显示,黑洞天体很可能是产生其他宇宙的虫洞。如果事实的确如此,那么它将帮助揭开一个名为黑洞信息悖论的量子谜题,但批评家认为它也可能引发新的问题,例如虫洞最初是如何形成的。

  黑洞是内部具有强大引力场的天体,这样强大的引力使得即使是光也无法逃逸。爱因斯坦的广义相对论认为当物质被挤压成非常小的空间时就会形成黑洞。尽管黑洞无法被直接观测到,但天文学家已经鉴别了很多很可能是黑洞的天体,主要是基于对环绕在其周围的物质的观测。

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  法国高等科学研究所的天体物理学家蒂博·达穆尔(Thibault Damour)和德国不莱梅国际大学的谢尔盖·索罗杜金(Sergey Solodukhin)认为这些黑洞天体可能是名为虫洞的结构。

  虫洞是连接时空织布中两个不同地方的弯曲通道。如果你将宇宙想象为二维的纸张,虫洞就是连接这张纸片和另一张纸片的“喉咙”通道。在这种情况下,另一张纸片可能是另一个单独的宇宙,拥有自己的恒星、星系和行星。达穆尔和索罗杜金研究了虫洞可能的情形,并惊讶的发现它如此类似于黑洞以至于几乎无法区分两者之间的差别。
 

霍金辐射

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  物质环绕虫洞旋转的方式与环绕黑洞是一样的,因为两者扭曲环绕它们的时空的方式是相同的。有人提出利用霍金辐射来区分两者,霍金辐射是指来自黑洞的光和粒子辐射,它们具有能量光谱的特性。但是这种辐射非常微弱以至于它可能被其他源完全湮没,例如宇宙大爆炸后残余的宇宙微波背景辐射,因此观测霍金辐射几乎是不可能的。

  另一个可能存在的不同便是,虫洞可能没有黑洞所具有的视界。这意味着物质可以进入虫洞,也可以再次出来。实际上,理论家称有一类虫洞会自我包裹,因此并不会产生另一个宇宙的入口,而是返回到自身的入口。
勇敢者的游戏

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  即便如此,这也没有一个简单的测试方法。由于虫洞的具体的形状不同,物质跌入虫洞之后可能要花费数十亿年之后才能从里面出来。即使虫洞的形状非常完美,宇宙最古老的虫洞目前也尚未“吐出”任何物质。

  看起来似乎只有一条探寻天文学黑洞的途径,那就是勇敢的纵身一跃。这绝对是一个勇敢者的危险游戏,因为如果跳入的是一个黑洞,其强大的重力场将会撕裂我们身体的每一个原子;即便幸运的进入了一个虫洞,内部强大的引力仍然是致命的。

  假设你能幸存下来,而虫洞恰好是不对称的,你会发现自己处在另一个宇宙的另一边。还没等你看清楚,这个虫洞也许又把你吸回到所出发的宇宙入口了。
悠悠球运动

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  “太空船也能做这样的悠悠球运动,” 达穆尔说道,“(但是)如果使用自己的燃料,你就能从虫洞的引力中逃逸”,然后探索另一边的宇宙。

  不过在宇宙这一边的朋友也许得等上数十亿年才能再次见到你,因为在虫洞里的穿行时间将会非常漫长。这样的延迟使得在虫洞两边的有效通讯变得几乎不可能。如果能够发现或者构建微观虫洞,这种延迟可能短至几秒钟时间,索罗杜金这样说道,这潜在的支持了双边通讯。

  研究黑洞形成和虫洞特性的美国俄勒冈大学尤金分校的斯蒂芬·许(Stephen Hsu),也认为利用观测区分黑洞和虫洞之间差别几乎是不可能的,至少利用目前的科技是不可能实现的

外来物质

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  “黑洞最重要的特性就是落入黑洞的物体“有去无回”的临界点,而对此我们目前还无法进行测试。” 斯蒂芬说道。但目前被认为是黑洞的天体也可能的确是黑洞而非虫洞,这种情况也并非不可能。目前存在不少关于黑洞形成的可行情景,例如大质量恒星的坍塌,但有关虫洞是如何形成的则仍是未知数。

  虫洞可能与宏观的黑洞有所不同,它需要一些外来的物质保持自身稳定,而这种外来物质是否真实存在又是个未知数。

  索罗杜金认为虫洞的形成方式可能与黑洞相差无几,例如都来自于坍塌的恒星。在这种情境下,物理学家一般认为会产生黑洞,但索罗杜金认为量子效应可能会阻止坍缩形成黑洞的过程,转而形成了虫洞。
微观黑洞

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  索罗杜金称这一机制在更完整的物理学理论下将不可避免,后者统一了重力和量子力学的理论,它是物理学界长久以来的梦想和目标。如果这一理论是正确的,那么以往我们认为会形成黑洞的地方,就可能会形成虫洞。

  而这一猜想并不是没有方法对其进行测试,有的物理学家认为未来的粒子加速器实验将能够产生微观黑洞。这种微观黑洞有可能放射出可以计算的霍金辐射,以证明产生的是黑洞而非虫洞。但是如果索罗杜金猜想的是正确的话,那么形成的会是一个微观虫洞,因此将不会产生任何辐射。“通过这样简单的测试就能辨别产生的是黑洞还是虫洞。”

  虫洞的另一个优点在于能够解决所谓的黑洞信息悖论。黑洞唯一能够释放出的就是霍金辐射,但这些霍金辐射将如何携带最初落入黑洞天体的原始信息,目前还尚不清楚。这种混乱效应与量子力学相冲突,后者禁止这种信息的丢失。

  “从理论上来说,虫洞要比黑洞好的多,因此它不会发生信息丢失。” 索罗杜金说道。由于虫洞没有视界,物体无需转化成霍金辐射就能自动离开虫洞,因此也就不存在信息丢失的问题

穿越虫洞不是梦
利用虫洞实现星际旅行是一种最快的方式,也许它很快就不再是科学幻想!

  星际探险是人类恒久的梦想。我们一直渴望能够站立在其他行星上,与外星文明进行接触,并假定它们是友好的。但是我们的这个梦想一直被阻挡在空间旅行所要面临的诸多局限跟前。

  阿波罗计划,是迄今为止人类唯一一次亲身前往其他世界的任务,宇航员用了三天多的时间,才得以到达月球。而以同样的速度前往距离太阳最近的恒星——比邻星,需要数百万年。

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  我们能够想像推进技术的进步能够将现在这种慢悠悠的速度提升到一个新的级别;但是还有数以百万计的因素足以带来令人生畏的挑战。而假如我们现在就已经束手无策,那前往更为遥远的恒星就谈也别谈了。

  你可能会想,爱因斯坦会不会有解决方案?实际上,这位相对论的创立者,也是首位在空间的捷径方面作出想像的人,他真的有可能在某一天会让星际旅行成为可能。在他的思想里,存在着一种能够将宇宙的两部分连接起来的假想方式,这种方式被称为“虫洞”,最初则叫“爱因斯坦-罗森桥”。它是由爱因斯坦和他的助手内森·罗森于 1935 年在一篇经典论文中提出的,这篇论文的题目叫《广义相对论中的粒子问题》。

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  爱因斯坦提出这些连接方式的动机原本与空间旅行无关。当时他是在尝试把他大师级的广义相对论,从一种物质与几何学的平衡关系,转变为一种“纯净”的几何学,这种转变看起来有点像魔术。

  根据广义相对论的标准解释,物质和能量团块作用在时空网格上,会使之发生扭曲,并会使其他物体沿着它们的路线移动。物质使其在几何学上发生弯曲,同时,几何学特性也会对物质有引导作用。就像在蹦床上蹦跳的杂技演员,会使蹦床向下弯曲,而此时另一位在倾斜的蹦床表面行走的表演者,其前进的路线就会左右摇摆,而不再是一条直线。

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  同样,在太阳系中,太阳会弯曲临近的时空,并引导行星以椭圆形轨迹运行,而非直线。

  引力场有其自身的能量,但它位于爱因斯坦方程式的几何学一边,而不是物质和能量一边。爱因斯坦认为这是一种不平衡。因此他试图设想出一种万物理论,可以将宇宙中的一切套入这个模型中,包括其内在本质,爱因斯坦试图通过纯粹的几何学,在与之相像的粒子身上找到广义相对论解决方案。他和罗森从中发现了宇宙两个不同部分间的桥状连接,并希望这能够帮助他完成他的“魔术”。但是在将其与实有的粒子相关联时,却找不到什么相似的地方,因此最终他们还是放弃了这个想法。

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  20 世纪 50 年代和 60 年代,普林斯顿的物理学家约翰·惠勒开始从事一项类似的开拓工作——即时空的几何化——也被称为“几何动力学”。爱因斯坦和惠勒的不同在于前者抵制量子力学的概率统计方法,而后者对此表示欢迎,并希望找到一种能够把一切都展示在阳光下的几何学量子理论。

  惠勒给“爱因斯坦-罗森桥”起了个绰号叫“虫洞”,他找到了一种能够使粒子从类似实体的时空泡沫中涌现的方法。

  这些虫洞会随机地在几何学泡沫中以量子波动的形式出现。场力线会依次从虫洞通过,并产生出已知的粒子属性,如电荷。在这种形式下,秩序会在原本纯粹的无序中产生。

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  虫洞的一个简单类型将广义相对论史瓦西方案以两个不同的面连接了起来。史瓦西方案诠释了一个静态的、不带电荷的质量球体对空间的弯曲效应。惠勒认为这个方案同时也能够为“黑洞”这样高度紧凑的坍缩恒星内核提供一种模型。位于宇宙不同部分的这种黑洞,在原理层面,可以用虫洞相连。但是,通过进一步的分析后,惠勒发现这样的连接是不稳定的。

  20 世纪 80 年代晚期,惠勒的博士生,他的通俗版广义相对论教材合作者,加州理工学院的物理学家基普·索恩,开始研究虫洞这个课题,以满足另外一种诉求:探索在星际空间中走捷径的可能性。

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  索恩的动力来自卡尔·萨根的请求。当时后者正在写小说《接触》,讲述人类与外星文明的首次接触。在萨根的情节设计中,需要有一种装置,能够快速地在星系之间旅行。他考虑了存在于黑洞之间的史瓦西虫洞,但是索恩告诉他这行不通。即使有办法让它们保持稳定,黑洞之间的连接也会把旅行者压碎、烧死。

  倒霉的宇航员在到达黑洞中央的奇点——这个密度无穷大的点时,会被像软糖一样拉长、烧焦。长话短说,史瓦西黑洞虫洞是一个死亡陷阱,而非快车道。(旋转的黑洞,或称“克尔”黑洞,则是另外一种类型,它们的奇点像是一个环,有可能使人在某种情况下得以幸存。)

  索恩为满足萨根对“友善”(或者说至少要对有经验的宇航员足够友善)虫洞的需求而努力地进行了思考。他把这个问题交给了他的研究生米歇尔·莫里斯。广义相对论拥有极强的灵活性,能够构建任何类型的几何图形,而只需你为质量、能量的分布提供正确的配置。

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  令人震惊的是,莫里斯和索恩发现了一种广义相对论虫洞方案,这种方案拥有许多招人喜欢的特性。旅行者可以通过其稳定的“颈部”,在不同的空间之间进行穿越,而且在穿越的过程中,不会引起虫洞的坍塌。

  旅行者在穿越这样的虫洞时,不会被拉伸或压碎,反而会安全地,在合理的时间范围内——比如说,不到一年的时间——从一端到达另一端。辐射量也会保持在最少的程度。萨根非常兴奋,把莫里斯和索恩的方案加入了他的情节设计中。《接触》在拍成电影时,由朱迪·福斯特出演,获得了很大的成功。

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  另外,莫里斯和索恩的论文,《时空中的虫洞及它们在星际旅行中的用途:广义相对论的教学工具》,以及随后的一系列努力,使“可穿越虫洞”这个观点进入了主流物理学期刊。真可谓是一个伟大的胜利!

  作为一种假说,可穿越虫洞方案的发展,释放了人们大量被压抑的对星际旅行的渴望。想像一下,通过地铁一样的网络,将宇宙内相距遥远的各部分连接起来,是一件多么令人敬畏的壮举。如果地球受到威胁,虫洞在理论上也能提供一种逃生通道。数十万光年之外的外星文明也可以突然间就变得就触手可及。不止是《接触》,可穿越虫洞也为大量科幻小说、电视剧和电影提供了灵感,其中包括最近的《星际穿越》(索恩是该片的监制和首席科学顾问)。

  然而,正如莫里斯和索恩所揭示的,进一步的研究工作确认,建造一个可穿越的虫洞,需要一种自然界极其缺乏的成份——至少是缺乏大量的——即所谓的“奇异物质”。奇异物质具有负质量,因此能够作为反重力的稳定机制,使虫洞的颈部保持开放。

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  乍看起来,负质量是不可能的。不管你吃不吃东西,都不可能将体重减去 50 公斤。然而,根据爱因斯坦的著名相对理论,质量与能量是相关的。而且,就像莫里斯和索恩所意识到的那样,在量子物理中,有一种卡西米尔效应,允许负能量的存在。因此,这种负能量也许就能够转换成负质量。

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  卡西米尔效应与量子真空中能量的变化有关。德国物理学家亨德里克·卡西米尔发现,假如你使两块金属板间保持纯粹的真空,并将它们互相靠近,其间的真空就会被“压缩”,量子波动的模式也会减少。最终结果显示,两块板之间的真空能量会低于其周围的能量。假如周围的能量为零,那么两板之间的量子真空能量就会变成负的。内外能量之间的差异导致了负压力,两块板因此得以互相靠近。

  莫里斯和索恩指出,拥有负能量的量子真空区域,也许能够被“开采”,并生产出奇异物质。因此,获取奇异物质,也许并不是件太遥远的事。

  而在 1998 年,宇宙的加速膨胀被发现后,涌现出了另一种可能性,即驱动暗能量的反重力排斥可能与奇异物质有着某种联系,它也许和卡西米尔效应和负压力的概念有关联。但是人们至今还不能确定暗能量究竟是什么,所以也无须依赖这方面的发展。

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  那研究者们有没有可能从量子真空中获得足够多的奇异物质,来塑造可穿越虫洞?这听起来是一个不可能完成的任务。幸运的是,新西兰理论学家马特·维瑟发展出了一个替代虫洞方案,在这个方案中,建造虫洞只需少量的奇异物质。

  即使奇异物质被确认并投入使用,要建造一个可穿越虫洞仍面临着另一个障碍——需要大量的普通物质。研究者估计,其所需的物质总量相当于数百万个太阳。很明显,以这种方式建造虫洞,还无法在可预见的将来实现。

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  那么在自然界中是否有可能会存在可穿越虫洞?如果有的话,那么假定我们运气好,在可接受的距离范围内可能就会有一个(当然也会足够远,因为它的巨大引力不致于会影响到太阳系)。我们能够发现它,并利用它来探索银河系吗?也许有一天,这样的科幻传奇会变成现实,而我们也最终可以到达那些遥远的文明。 

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