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人类能活着穿过虫洞吗?

时间:2017-04-21 17:39:10 来源:果壳网 浏览量:
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科幻太空史诗《星际穿越》中人类文明正面临毁灭的危险,但是宇航员们看到了一丝希望:因为土星附近神秘地出现了一个虫洞。这条穿越时空的隧道通向一个遥远的星系,人类可以穿过这条隧道,找寻一个可以殖民的星球,以延续我们的文明。电影中的虫洞是基于真实的物理学理论的,由天体物理学先驱基普·索恩(Kip Thorne)建立。索恩曾经是加州理工学院的教授,不过现在已经退休在家。除了学术上的贡献外,他还曾经帮助卡尔·萨根(Carl Sagan)设计著名科幻小说《接触》(Contact)中的虫洞。《星际穿越》电影中的视觉效果非常震撼,很多人都认为电影中对虫洞与黑洞描绘的准确性可能在整个电影史上数一数二。当然,在电影中还有一个很重要的方面没有提及:你如何在这样的一次星际穿越中活下来?

虫洞是什么

虽然爱因斯坦和他的助手纳森·罗森(Nathan Rosen)最早不这么叫它,但是虫洞最初的确是他们的智慧结晶。当时他们正在试图用各方法来解爱因斯坦的广义相对论方程,以期用一个纯粹的数学模型来解释整个宇宙,包括重力,以及构成物质的各种粒子。其中包括的一种方法是将空间描述成两个几何面,其间由“桥”连接,而在我们的感知中,这些桥就是粒子。

人类能活着穿过虫洞吗?人类能活着穿过虫洞吗?

1916年,另外一位物理学家路德维希·弗拉姆(Ludwig Flamm),同样是在解爱因斯坦的方程的时候,独立发现了这些“桥”。不幸的是,这个“万有理论”并不成功,因为这些“桥”的表现并不像是真正的粒子。但是爱因斯坦和罗森在1935年发表的论文使得“穿越时空结构的隧道”这个概念得以流行,其它物理学家不得不认真地考虑这些隧道带来的影响。

20世纪60年代,普林斯顿大学的物理学家约翰·惠勒(John Wheeler)在研究“爱因斯坦-罗森桥”的数学模型时,创造了“虫洞”这一术语。他指出,这些桥很像虫子钻过苹果后留下的洞。一只蚂蚁从苹果的一端爬到另一端,选择一是绕着苹果弯曲的表面爬上半圈,选择二则是抄苹果上的虫眼这条小路。想象一下在更高纬的空间里,如果我们所处的三维时空就像是苹果皮一样弯曲着的,那么穿越高维空间实体的“虫洞”,必然可以让我们更快地在三维空间中的两个点之间往返。这听上去有些奇怪,但从数学上来说,这是的确是广义相对论的一个合理的解。

我们能通过由史瓦西黑洞造成的虫洞吗

惠勒意识到爱因斯坦-罗森桥入口的特性与史瓦西黑洞(Schwarzschild black hole)的描述恰好相符:一个由物质组成的球体,密度大到连光也无法从它的引力场中逃逸。天文学家认定黑洞是存在的,认为大质量恒星核心坍缩之后就会形成它们。所以黑洞可以同时是虫洞,亦即星际旅行之门吗?数学上来说,可能可以——但是没人能活着完成这次旅行。

在史瓦西模型中,黑洞的核心是一个奇点,一个具有无限大密度的,中性的,静止的球体。惠勒计算了如果三维空间中两个相距遥远奇点跨越更高维度相连会发生什么——形象一点儿说,就是两个史瓦西黑洞通过隧道相连。他发现这样的虫洞天生就不稳定,这样的隧道可以形成,但是很快就会收缩“夹止”(即从中收缩断开),重新形成两个独立的奇点。这个过程非常快,隧道从形成到断开的时间如此之短,以至于连光都来不及从中穿过。而且如果宇航员想要从中通过的话,必然会遇到其中的一个奇点——这是件必死无疑的事情,因为奇点巨大的引力会将任何一个试图靠近的人撕得粉碎。

索恩也在这部电影的配套书籍《星际穿越中的科学》中写道:“任何试图穿越(虫洞)的人或物都会在夹止过程中被毁灭。”

如果黑洞转起来,形成一个克尔黑洞呢

当然我们还有选择的余地:广义相对论认为还有可能存在着一种转动着的克尔黑洞(Kerr black hole)。与史瓦西黑洞中的球体不同,克尔黑洞中的奇点是一个环。有一些模型认为,人可以舒服地从这个环的中间通过,就像篮球通过篮筐那样。但是索恩对此观点有诸多异议。在1987年他发表的一篇关于穿越虫洞的论文中,他提出克尔黑洞的喉部具有一个非常不稳定的区域,叫做柯西视界(Cauchy horizon)。数学告诉我们,任何物质,包括光,试图通过这一视界的时候,这个通道都会坍缩。而且即使通过什么特殊的途径使得这个虫洞稳定下来,量子理论告诉我们虫洞里也将充满各种高能粒子。涉足克尔黑洞,你会被炸得像薯片一样脆。

如果再加入一些量子理论呢

现在的关键是,经典引力理论尚未与量子理论完美结合——虽然有很多研究人员试图搞定它,但是用数学来表示量子世界依然很难实现。不过在一方面,普林斯顿大学的胡安·马尔达西那(Juan Maldacena)和斯坦福大学的伦纳德·萨斯坎德(Leonard Susskind)认为,虫洞可能是量子纠缠态的物理表现——这种状态下的物体不论距离多远都是相互关联的。

爱因斯坦曾讥讽量子纠缠为“鬼魅般的超距作用”,并拒绝接受这一理念。但是很多实验告诉我们量子纠缠是真实存在的——这一现象甚至在商业上都得以应用,例如在银行交易时用以保护在线传输的安全性。根据马尔达西那和萨斯坎德的理论,大量的纠缠态变化会改变时空的几何形态,以纠缠态黑洞的形式形成虫洞。但是这个版本的虫洞并不会使星际穿越之门。

“这些虫洞并不能让你超光速航行,”马尔达西那表示,“但是它可以让你与虫洞里的人见面,当然得提前警告你们,两边的人会同时死于引力奇点的作用。”

除了黑洞,我们还有其他的选择吗

所以,黑洞是个大问题。那,虫洞可能是什么?哈佛-史密森尼天体物理中心的阿维·勒布(Avi Loeb)表示其实要形成一个虫洞的话,我们还有很多可能性:“因为我们现在还没有一个理论可以很好地将广义相对论与量子理论统一起来,所以我们还不知道能够形成虫洞的时空结构都有哪些可能性。

还有一个问题。索恩在他1987年的工作中发现,符合广义相对论的任何类型虫洞都会坍缩,除非它是由具有负能量的“奇异物质”支撑着的。他认为我们有证据表明奇异物质的存在,因为实验表明真空中的量子涨落似乎会产生一个负压,就像两面紧靠着的镜子一样。勒布还表示,我们观察到的暗能量可能进一步暗示着宇宙中奇异物质存在的可能性。

“纵观宇宙近代史,不难发现河外星系都在远离我们而去,而且速度越来越快,就像是受到了反重力的作用一样,”勒布表示,“如果我们认为宇宙中充满具有负压力的物质,就可以解释宇宙的加速扩张……就像是我们制造一个虫洞所需要的那种一样。”当然,这两位科学家都认为,自然形成一个虫洞需要的奇异物质太多了,而且只有高度发达的文明才有可能收集足够的奇异物质,来维持虫洞的稳定。

当然其他的物理学家并不太相信这一观点。“我认为一个稳定的,可以穿行的虫洞的存在会让人十分困扰,因为这与已知的物理学定律相违背。”马尔达西那表示。北欧理论物理研究所的萨宾·霍森菲尔德(Sabine Hossenfelder)对此更加怀疑:“我们目前没有任何证据表明它(奇异物质)存在。实际上很多人都认为它不可能存在,因为那样的话真空就会不稳定。”即使奇异物质存在,想要漂亮地穿越虫洞,可能也不是那么容易的事情。实际的效果可能取决于虫洞周围的时空曲率,以及虫洞中的能量密度,霍森菲尔德表示:“这里发生的情况可能和在黑洞里发生的差不太多:潮汐力太大,试图穿越的人被撕碎。”

即使与电影有着直接的关联,对于是否存在可以穿越的虫洞这一问题,索恩依然持悲观态度,更不用提宇航员能否活着穿越它们了。“如果(虫洞)能够存在,我非常怀疑它们能否在宇宙中自然形成,”他在书中写道。但是《星际穿越》的编剧克里斯托夫·诺兰和乔纳森·诺兰还是得到了索恩的赞赏,努力讲述一个植根于科学事实的故事本身就值得肯定。

“这个故事已经彻底成为克里斯托弗和乔纳森的故事了。”在接受《连线》杂志采访时,索恩表示,“但是故事的精髓,拍摄一部从一开始就将科学植入的电影的这一目标,以及这其中了不起的科学知识,都得以完整的保留。”

作者:Victoria Jaggard

本文转载自果壳网

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编辑:时雨
关键词: 虫洞
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