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虫洞是什么 怎么形成的

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发表于 2017-12-4 20:31:39 | 显示全部楼层 |阅读模式
  一、虫洞是什么?虫洞是怎么形成的

  在我们已知的理论中,黑洞有着强大的吸引力。在黑洞附近的物质都会被吸入黑洞内部,永远无法逃出来。假设我们将黑洞当做一个入口,那么与之对应的,应该有一个只向外释放却不用吸收的出口,也就是白洞。黑洞与白洞之间,有一个被称作虫洞的联通结构。有的科学家提出了一种猜想,即黑洞与白洞碰撞时会生成虫洞,二者通过虫洞彼此连接,物质由虫洞在黑洞和白洞之间传递。在这个猜想中,虫洞的本质就成了一个阿尔伯特·爱因斯坦-罗森桥,物质在黑洞中坍缩至极限而被分解成基本粒子,这些基本粒子再穿过虫洞来到白洞中,并被再次释放到宇宙空间。

  最初,科学家是在对史瓦西解的研究中第一次提出了虫洞的概念。物理学家在对史瓦西解的白洞解进行分析时,使用了爱因斯坦的思想实验,提出宇宙时空本身并不平坦的假说。一旦一个恒星坍缩成为黑洞,那么在史瓦西半径内,也就是在视界范围内,黑洞的时空与原来的时空相垂直。如果宇宙的时空自身并不平坦,那么这种垂直结构带来的就是黑洞视界内的某个部分会与宇宙中的另一个部分连接在一起,并形成一个空洞。这个洞既可以是黑洞,也可以是白洞。这个不平坦的视界就是一种虫洞,科学家称之为史瓦西喉。

  虫洞到底是什么东西呢?

  虫洞可以简单地看做一个连接宇宙各个不同区域的时空管道。这种管道连接了可能存在的平行宇宙,并为时光旅行提供了依据。科学不断向前发展,一些新的研究成果表明,虫洞虽然具有很强的力场,但是宇宙中存在的一种负质量能够中和虫洞的强力场,从而使虫洞达到稳定的状态。科学家认为,物质能够产生能量,那么宇宙中存在的反物质就能够产生负能量,这个能量能够中和它周围的正能量。负能量在过去曾经只在理论中存在,但是现在,很多科研机构已经通过实验证明了负能量的存在,甚至还在太空中通过航天器发现了一些负能量的痕迹。

  关于虫洞的研究还只停留在起步阶段,但是这一研究如果能够取得一定的成果,那么带来的回报是不可估量的。如果虫洞最终被认为是存在的,那么人类就要重新考虑自己在宇宙中的地位了。当前,人类只能停留在地球上,要想到达最近的星系,使用现在的技术手段都需要长达数百年的时间。如果未来能够通过虫洞在宇宙中穿梭,那么到达宇宙中另一个遥远的地方,只是一瞬间的事。

虫洞是什么 怎么形成的86 / 作者:伤我心太深 / 帖子ID:28193,108811


  虫洞是连接不同宇宙的“管道”,或连接同一宇宙不同部分的“手柄”。虫洞的概念使得单连通的时空变成了多连通的时空。虫洞分为可通过的虫洞和不可通过的虫洞。可通过的虫洞有洛伦兹虫洞和欧几里得虫洞。

  洛伦兹虫洞能够存在一段时间,管道是真实存在的,当出现洛伦兹虫洞时,我们就会在天空中看到一个球,这个球就是洞口,通往其他宇宙,或是我们所在的宇宙中的另外一个地方,又或者通往未来或过去。

  1985年,天文学家萨根写了一本小说叫做《接触》,讲述人类通过时空隧道到织女星旅行。这是首次提出可以穿越的虫洞。他起初用黑洞作为时空隧道,他的朋友索恩(惠勒的学生)认为不可行,建议他改用“虫洞”。此后,大量小说、电影描述通过时空隧道(洛伦兹虫洞、欧几里得虫洞)或制造“时间机器”,前往未来、过去、远方。

  真正关于虫洞的科学研究是从1988年开始的,索恩和毛瑞斯等人在美国物理学杂志上发表了一篇名为《时空中的虫洞及其在星际旅行中的用途》的文章。此后,霍金等很多科学家开始研究虫洞。量子理论认为,有可能存在虫洞,能够改变时空拓扑,但“时间机器”不一定能被制造出来。霍金认为,一旦制造“虫洞”或改变“时空拓扑”,那么必定会出现闭合类时线,此类时线就是四维时空中的一个曲线。举例来说,一个人站在原地,那么他在三维空间当中一定是一个点,空间位置不动,与时间轴平行,呈现出一条直线,也就是世界线;如果他匀速运动,那么就会呈现出一条斜线,如果变速运动就会是曲线。这种曲线只要是描述亚光速运动的,就叫类时线,如果是描述光速运动的,就叫类光线,如果是超光速的,就叫类空线。类空线不能传递信号,也不能通过物体,所以科学界更感兴趣的是类时线和类光线。霍金所说的闭合类时线是指类时线转一圈又回到原点,这个原点不仅是空间的原点,同时也是时间的原点。

  最初对时间和空间的研究是从牛顿开始的,牛顿认为,时间是一条河流,永远不停地流逝,也就是绝对的空间和绝对的时间。爱因斯坦的狭义相对论认为,时间和空间是一个整体,时空是不可分割的,广义相对论认为时空是弯曲的,但基本还是一个平面。然而量子论认为,时空犹如海面,存在涨落和泡沫,远看是平的,近看有波浪,再近看有泡沫和浪花。在宇宙诞生初期,剧烈的时空涨落有可能形成拓扑复杂的时空结构——泡沫和浪花,即有可能形成虫洞,保留至今,并被放大。

  如今经过科学研究发现,要想维持虫洞,就必须要有负能量,也就是质量为负的负能物质,负能物质的加速方向与施力方向相反,目前在宏观上还没有发现负能物质。负能物质不是反物质,也不是暗物质或暗能量。反物质是指构成原子的原子核是由反质子和反中子组成的,反质子也是一种质子,只不过带的是负电,围绕它转的是正电子;暗物质是正能量的,能够产生万有引力;暗能量虽然有排斥效应,但这种排斥效应不是因为它本身的能量是负的,而是因为它的压强是负的,它本身的质量还是正的。

  但我们是不是绝对没有见过负能量呢?答案是否定的。负能量也被称作卡西米尔效应。荷兰物理学家卡西米尔提出一个观点,在真空中平行放置两块金属板,就会发现金属板之间存在吸引力,使得两块金属板往中间靠,而且这两块金属板是绝对不带电的,那么吸引力从何而来呢?这是因为,两块金属板放入真空后,就相当于把真空挖了两个洞,真空的拓扑结构就变化了,真空并不是绝对平静的,会不断地产生虚的粒子对,同样会产生虚光子,虚光子不断地产生和湮灭,当虚光子产生在两块金属板之间,由于光子是电磁波,电磁场在金属板上强度必须是零,因此必定会形成驻波,这样一来,两个金属板之间的虚光子就必定形成驻波,限制了两板之间虚光子的数量,而金属板外部的虚光子是不限数量的,这就形成了数量差导致的压力。这两块金属板之间的物质,能量就是负的,因为真空是能量的零点,所以金属板外部的真空都是能量为零的,两块金属板之间的真空由于虚光子数量少了,因此能量低于真空的能量,这就是负能量。但这种负能量太弱了。

  黑洞附近也有负能量,同样很弱。可是撑开虫洞所需要的负能量太大了,撑开一个半径1厘米的虫洞,需要一个地球质量的负能物质;撑开一个半径1千米的虫洞,需要一个太阳质量的负能物质;撑开半径1光年的虫洞,需要大于银河系发光物质总质量100倍的负能物质。而且,虫洞不能太小,因为虫洞内部有张力,如果虫洞太小,就会把通过其中的物质撕碎。张力与虫洞半径的平方成反比,张力=物质能承受的最大张力/(以光年为单位的虫洞半径)2,半径小于1光年的虫洞,张力比原子不被破坏的最大值还大,因此不能作为星际航行的通道。

  二、虫洞是如何产生的

  作为黑洞与白洞之间的连接管道,虫洞是怎样产生的呢?经过分析,我们认为以下两种情况下能够产生虫洞。一种情况是,因为黑洞的强大引力,撕裂空间,形成了虫洞。第二种情况是,因为黑洞自身的快速旋转,产生了伦斯-梯林效应。受此影响,黑洞周围的能量层出现了微小的破洞,这些破洞被引力作用进一步击穿,形成了一些小型的虫洞。由于黑洞的引力能对虫洞发生作用,所以这些虫洞的出口在未来可以被确定。但是因为目前量子理论和发展尚未达到如此高的程度,所以这一问题需要留待日后解决。

  另外,虫洞就好像一根磁铁棒,在入口处拥有强大的磁力线。接近虫洞入口的物质会在磁力作用下被分解,而后沿着虫洞内部运行,并在出口处重新组成原来的物质。这些物体可以比喻为一个障碍物,给虫洞内部的波造成形变。这个形变从入口处以波的形式再转移到出口处。其中涉及的量子效应包括横波、纵波以及波的反射与衍射。还能够涉及宇宙中物质的不均匀以及时空的不平坦等现象。

  按照相对论中的理论,虫洞里可能存在一个高速的时空通道。但是根据量子理论,虫洞无法为我们的宇宙旅行提供方便。因为虫洞是依靠一种奇特的能量才能保持存在的,这种能量就是负能量。只有在具有负能量支持的情况下,虫洞才能与外界保持联通。但是,负能量是非常难以实现的,物质必须运行到接近光速的情况下,才可能具有负能量。这就是说,只有当达到光速时,才能够进入虫洞。如果速度达不到光速,就无法发现并进入虫洞。这就是虫洞具有的特殊性质。

  三、时空隧道和时间机器

  虫洞在宇宙中,可以起到连接两个不同的宇宙空间的作用,还可以在黑洞与白洞之间传递物质。不但如此,它能出现在同一宇宙中,这时它就能够作为这个宇宙里的超时空隧道。在这种情况下,虫洞没有视界,只存在一个面,把内部和外部隔开。通过这个面,虫洞把现实宇宙与超时空空间连在一起。但是因为这里的时空曲率还保持在安全范围,所以如果我们能够发现这样的虫洞,就可以毫发无损地通过它,来到这个宇宙的另一个时间点。在这个过程中,我们不会被引力撕碎。在相对论诞生之前,英国著名小说家乔治·威尔斯就开始设想时间机器了,在狭义相对论诞生之前10年,他创作了科幻小说《时间机器》。

  在相对论诞生之后,有人提出用虫洞创造时间机器,虫洞有两个洞口,一个洞口在地球上,另一个洞口装在空间飞船上,可以进行时空旅行。

  制备时间机器有两个要点,一是要有一个洛伦兹虫洞,两个洞口之间的洞外距离要远远大于洞内距离;二是一个洞口不动,另一个洞口高速远离又高速返回,且运动时间足够长。这样一来,就可以构成闭合类时线,形成时间机器。

  所以,制造时间机器的时空要有以下特点:

  1. 在时间机器制备之前,要有一个因果性正常的时空区供我们生存;
  2.要有一个存在闭合类时线的时空区,只有这样的时空区才能存在时间机器;
  3. 此二时空区之间存在柯西视界,上面有闭合类光线。然而,如果通过时空旅行,可以干涉过去发生的事情,那么似乎就不太符合因果性。

  因此,俄罗斯物理学家诺维科夫提出了“自洽性原理”,认为可以回到过去,但不能破坏因果性。而霍金提出“时序保护”猜想:必定有一个物理规律不允许出现闭合类时线,并且将阻止把信息传递到过去。这种物理规律有可能是真空极化的能量,霍金认为,闭合类时线将导致真空极化能量发散,破坏掉闭合类时线。到现在为止,虫洞依然停留在假设的阶段。但是,科学研究的进步从来都是建立在大胆的假设上的。

  人们曾经认为,原子是组成物质的最基本单位,但是后来人们又从原子中发现了中子和质子。与之相同的是,在过去,人们长期认为组成宇宙的基本单位是物质,但是现在人们又发现了暗物质。对科学进行假设,能够让我们摆脱现有的知识的束缚,用怀疑的精神进行自我否定的不断探索,这样才能使人类对自身和宇宙的了解更进一步。就像萨鲁齐所说的:“不论在任何时候,我们都要问自己,事实究竟是什么?”

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