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        制造一個(gè)蟲(chóng)洞,或許需要這兩座“橋”

        發(fā)布時(shí)間:2022-06-14 11:23:00來(lái)源: 科技日?qǐng)?bào)

          制造一個(gè)蟲(chóng)洞,或許需要這兩座“橋”

          若干年后,你終于攢足首付買(mǎi)到了自己心儀的宇宙飛船,迫不及待地想要遨游在銀河之間。但馬上,你發(fā)現(xiàn)了一個(gè)嚴(yán)峻的問(wèn)題:宇宙太大了,即使以光速飛行,從太陽(yáng)系抵達(dá)最近的恒星,也要超過(guò)4年的時(shí)間。

          這時(shí),你想到了蟲(chóng)洞。在科幻作品中,蟲(chóng)洞是一種跨越時(shí)空的“橋梁”,可以讓你跳過(guò)太空旅行中漫長(zhǎng)的時(shí)間,以極快的速度抵達(dá)目的地。拋開(kāi)科幻作品不談,在真實(shí)世界中,我們?nèi)绾尾拍苤圃煲粋€(gè)蟲(chóng)洞?

          愛(ài)因斯坦—羅森橋

          根據(jù)愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論,引力本質(zhì)上并不是一種力,而是宇宙中因物質(zhì)分布而帶來(lái)的時(shí)空曲率。物質(zhì)決定了時(shí)空如何扭曲,而扭曲的時(shí)空又決定了物質(zhì)將如何運(yùn)動(dòng)。我們無(wú)法在宇宙中以超光速運(yùn)動(dòng),卻能在時(shí)空的不同區(qū)域建造隧道,這種時(shí)空隧道就是愛(ài)因斯坦—羅森橋,它有一個(gè)更為人所熟知的名字——蟲(chóng)洞。

          如果想搭建蟲(chóng)洞,我們需要將能量和物質(zhì)按特定的方式排列起來(lái),使時(shí)空彎曲,確保時(shí)空隧道能夠出現(xiàn)。而廣義相對(duì)論方程的解告訴我們,蟲(chóng)洞作為一種異?,F(xiàn)象,誕生于怪異的黑洞中。

          黑洞是廣義相對(duì)論方程的奇點(diǎn)。在廣義相對(duì)論中,當(dāng)物質(zhì)被擠壓到極高的密度,以至于任何相互作用都不能抵擋這些物質(zhì)對(duì)時(shí)空造成的扭曲,黑洞便不可避免地產(chǎn)生了。黑洞的邊界被稱為事件視界,事件視界范圍內(nèi),就連光也無(wú)法逃逸。

          但黑洞并不是唯一的奇點(diǎn)。廣義相對(duì)論方程同樣允許完全相反的奇點(diǎn)存在,也就是白洞。白洞的中心同樣有一個(gè)奇點(diǎn),但它的事件視界方向和黑洞相反,任何物質(zhì)都無(wú)法進(jìn)入白洞,而白洞內(nèi)的任何物質(zhì)在形成時(shí)就會(huì)以超光速被拋離出去。

          從數(shù)學(xué)上看,白洞會(huì)在黑洞產(chǎn)生時(shí)自然形成,而一對(duì)相連的黑洞和白洞會(huì)自動(dòng)形成一個(gè)蟲(chóng)洞。

          但是,用這種辦法建造蟲(chóng)洞還有兩個(gè)小問(wèn)題。

          首先,自然中幾乎不可能存在白洞。因?yàn)榘锥刺^(guò)活躍,高度不穩(wěn)定。白洞的事件視界一直在不斷向外輻射物質(zhì)。由于白洞在廣義相對(duì)論方程上和黑洞完全等價(jià),只有事件方向相反,因此演化過(guò)程中的白洞看起來(lái)會(huì)是黑洞演化過(guò)程的倒放。所以,白洞最終會(huì)演化至黑洞演化的起點(diǎn)——一顆恒星。這違反了熱力學(xué)第二定律,所以白洞這一選項(xiàng)被排除了。

          就算真的能構(gòu)建一對(duì)黑洞和白洞,那么它們兩者之間形成的蟲(chóng)洞入口只會(huì)位于黑洞事件視界之內(nèi),你必須進(jìn)入黑洞才能實(shí)現(xiàn)蟲(chóng)洞之旅。但黑洞的性質(zhì)決定了物體一旦進(jìn)入黑洞,就永遠(yuǎn)無(wú)法離開(kāi),你會(huì)被黑洞中心奇點(diǎn)周?chē)薮蟮囊μ荻人核椤?/p>

          莫里斯—索恩橋

          所以,如果想通過(guò)蟲(chóng)洞進(jìn)行星際旅行,光構(gòu)建一個(gè)蟲(chóng)洞還不夠,我們還必須保證人類(lèi)能從這個(gè)蟲(chóng)洞穿越過(guò)去。還好,廣義相對(duì)論方程允許我們把蟲(chóng)洞的入口“放”到黑洞事件視界之外,但代價(jià)就是這樣的蟲(chóng)洞極不穩(wěn)定,哪怕只有一個(gè)光子穿越蟲(chóng)洞,整個(gè)蟲(chóng)洞的時(shí)空結(jié)構(gòu)就會(huì)立即以超光速坍塌。

          1988年,物理學(xué)家邁克爾·莫里斯和基普·索隆發(fā)現(xiàn)了構(gòu)建穩(wěn)定、可用、可供穿越的蟲(chóng)洞的方法,被稱為莫里斯—索恩橋。但在他們的條件下,蟲(chóng)洞必須是由“負(fù)物質(zhì)”或者說(shuō)“奇異物質(zhì)”構(gòu)成。

          “負(fù)物質(zhì)”不是電荷與正常物質(zhì)相反的反物質(zhì),也不是看不見(jiàn)卻能提供引力的暗物質(zhì),而是質(zhì)量為負(fù)的物質(zhì)。在蟲(chóng)洞方程中引入負(fù)質(zhì)量,可以消除蟲(chóng)洞的不穩(wěn)定性,同時(shí)又可以讓蟲(chóng)洞的入口膨脹到足夠大,足以讓宏觀物體穿越蟲(chóng)洞。

          但負(fù)質(zhì)量的物質(zhì)又是什么呢?

          我們?cè)谟钪嬷羞€沒(méi)有發(fā)現(xiàn)負(fù)質(zhì)量的物質(zhì)。這種物質(zhì)的性質(zhì)非常奇怪,當(dāng)它受力時(shí),根據(jù)動(dòng)力學(xué)方程,它會(huì)朝著力的反方向運(yùn)動(dòng)。這完全顛覆了我們對(duì)物理學(xué)的理解。

          根據(jù)愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程,能量和質(zhì)量本質(zhì)上是等價(jià)的。雖然我們沒(méi)能在宇宙中找到負(fù)質(zhì)量物質(zhì),但負(fù)能量卻是真實(shí)存在的。真空中,兩塊相距很近的板之間會(huì)因?yàn)檎婵樟泓c(diǎn)能的漲落產(chǎn)生一定的引力,這個(gè)過(guò)程中的真空能漲落,就可能導(dǎo)致負(fù)能量密度的出現(xiàn),這被稱為卡西米爾效應(yīng)。

          在有負(fù)能量的地方,就有可能建立穩(wěn)定的、可供穿越的蟲(chóng)洞。但目前我們的負(fù)能量實(shí)驗(yàn)局限于納米尺度,想要建造真正可用的蟲(chóng)洞,或許還要寄希望于量子引力。

          廣義相對(duì)論告訴我們蟲(chóng)洞可能存在,并且能保持穩(wěn)定,能讓物質(zhì)穿越過(guò)去,但前提是允許負(fù)能量(負(fù)質(zhì)量物質(zhì))的存在。而量子力學(xué)告訴我們?nèi)绾萎a(chǎn)生負(fù)能量,但這種效應(yīng)只有在微觀尺度下才能存在。想要獲得真正可用的蟲(chóng)洞,或許我們首先要解決的問(wèn)題是建立量子引力理論。(據(jù)環(huán)球科學(xué)公眾號(hào))

        (責(zé)編: 陳濛濛)

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