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爱因斯坦罗森桥是一个虫洞 穿越虫洞就能实现星际旅行

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发表于 2015-12-19 01:02:46 | 显示全部楼层 |阅读模式
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。
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。

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。
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。
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。
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。
本文作者为保罗·哈尔佩恩,他是美国宾夕法尼亚州费城科学大学的物理学教授,科普作家。


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