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理论物理学家研究发现宇宙可能位于虫洞内部

2010-04-15
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理论物理学家研究发现宇宙可能位于虫洞内部

概述60多年前,阿尔伯特·爱因斯坦提出了“虫洞”理论。那么,“虫洞”是什么呢?简单地说,“虫洞”是连接宇宙遥远区域间的时空细管。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。

虫洞是什么?“虫洞”理论


虫洞(Wormhole)或译作“蛀孔”或“蠹孔”,又称爱因斯坦-罗森桥,虫洞(又名爱因斯坦―罗森桥)它的起源令人尊敬,来自于爱因斯坦与罗森的一篇论文。那么,“虫洞”是什么呢?是宇宙中可能存在的连接两个不同时空的狭窄隧道。虫洞是1916年奥地利物理学家路德维希·弗莱姆(Ludwig Flamm)首次提出的概念[1],1930年代由爱因斯坦及纳森·罗森在研究引力场方程时假设,认为透过虫洞可以做瞬时间的空间转移或者做时间旅行。迄今为止,科学家们还没有观察到虫洞存在的证据,一般认为这是由于很难和黑洞相区别。

关于虫洞的理论


  虫洞有几种说法
  一是空间的隧道,就像一个球,你要沿球面走就远了但如果你走的是球里的一条直径就近了,虫洞就是直径
  二是黑洞与白洞的联系。黑洞可以产生一个势阱,白洞则可以产生一个反势阱。宇宙是三维的,将势阱看作第四维,那么虫洞就是连接势阱和反势阱的第五维。假如画出宇宙、势阱、反势阱和虫洞的图像,它就像一个克莱因瓶——瓶口是黑洞,瓶身和瓶颈的交界处是白洞,瓶颈是虫洞。
  三是你说的时间隧道,根据爱因斯坦所说的你可以进行时间旅行,但你只能看,就像看电影,却无法改变发生的事情,因为时间是线行的,事件就是一个个珠子已经穿好,你无法改变珠子也无法调动顺序
  到现在为止,我们讨论的都是普通“完美”黑洞。细节上,我们讨论的黑洞都不旋转也没有电荷。如果我们考虑黑洞旋转同时/或者带有电荷,事情会变的更复杂。特别的是,你有可能跳进这样的黑洞而不撞到奇点。结果是,旋转的或带有电荷的黑洞内部连接一个相应的白洞,你可以跳进黑洞而从白洞中跳出来。这样的黑洞和白洞的组合叫做虫洞。
理论上,虫洞是连结白洞和黑洞的多维空间隧道,是无处不在,但转瞬即逝的。不过有人假想一种奇异物质可以使虫洞保持张开。也有人假设如果存在一种叫做幻影物质(Phantom matter)的奇异物质的话,因为其同时具有负能量和负质量,因此能创造排斥效应以防止虫洞关闭。这种奇异物质会使光发生偏转,成为发现虫洞的信号。但是这些理论存在过多未经测试的假设,很难令人信服。

什么是虫洞?


提问者:霍金 (20.1.2001)

早在二十世纪三十年代, 爱恩斯坦和物理学家罗森已经发现, 在繁复的引力场方程式中, 竟然暗示宇宙中可能存在连接两个不同地点的时空隧道, 这种时空结构称为「 爱恩斯坦- 罗森桥」。
1985 年, 著名天文学家萨根刚完成了科幻小说《 超时空接触》 的写作, 并邀请他的老朋友物理学家基普, 看看小说中有关瞬间宇宙旅行的描写, 在科学上是否可行,想不到这桩小轶事, 却引起了科学界研究时空旅行的热潮。
基普博士和他的研究小组经过深入研究后发现, 时空旅行并没有违反现今所知的科学理论, 且更进一步提出利用虫洞作时空旅行的构想。
虫洞是理论中一种连接两处时空的特殊通道。让人类可以瞬间穿梭宇宙, 甚至作时间旅行。
和黑洞不同的是, 黑洞是大质量恒星死亡后的必然产物, 但在自然界中, 却并没有一个机制会自然产生虫洞。以纯理论来说, 有两种「 可行」 的制造虫洞方法。

制造虫洞方法


以纯理论说, 有两种「可行」的制造虫洞方法。
制造虫洞方法一
如果我们有一个现实中不可能存在的超级显微镜, 能看到小至
10-35 米的空间( 这个大小比原子核要小上10-10 倍) , 我们会发觉, 原本看来平滑的时空, 其实充满了大量不规则和随机产生的时空扭曲, 科学家称之为量子泡沬。这些时空扭曲偶然会形成一些小型虫洞, 只要我们有无限先进的文明, 或许有方法可以找到这些虫洞, 捕捉它, 然后以奇异物质( 注) 把它扩大至可用的大小。
注:奇异物质是具有反重力特性的物质, 理论上可能存在, 在现实中是否存在则仍是一个谜。

制造虫洞方法二
假若人类有无限先进的文明,我们亦可尝试把空间扭曲, 先在空间压出一个凹洞, 然后轻轻将空间屈折, 最后将凹洞底部和其下的空间同时刺穿, 再把两端空间缝合起来, 产生一个虫洞。
由于虫洞、 奇异物质等已涉及极高深的物理, 实在很难在这有限的篇幅说清楚, 有兴趣的朋友, 可参阅基普教授(Prof. Kip S. Thorne) 所著的天文普及书籍「 Black Holes & Time Warps」。

陈己雄
太 空 馆 助 理 馆 长
5.2.2001

《物理快报B》:宇宙可能位于虫洞内部z



虫洞示意图

美国天文学家通过研究重新审视宇宙

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。

据物理学家组织网与《科学》(Science)杂志在线版近日报道,美国印第安纳大学的理论物理学家研究发现,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。该篇论文刊登于4月12日出版的物理学著名学术期刊《物理快报B》(Physics Letters B)上。

黑洞、白洞与虫洞

与黑洞的广为人知不同,白洞主要用来解释宇宙中的高能现象,其是否存在尚无观测证据。在广义相对论预言中,白洞与黑洞性质相反,是一种致密物体,并不吸收外部物质,而是不断地向外围喷射各种星际物质与宇宙能量,像宇宙中的喷泉。

而虫洞(又名爱因斯坦—罗森桥)虽多见于科幻,却不是任何边缘科学或业余幻想,它的起源令人尊敬,来自于爱因斯坦与罗森的一篇论文。其可描述成连接宇宙遥远区域间的时空细管,而暗物质负责维持着虫洞出口的敞开。最简单地去理解,就是把时空卷曲起来,创造一条事件A和事件B间的近路。

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。

这听起来似乎是个悖论,但这正是当代科幻的一个基准点。只有这样,一个人才有可能借助时光旅行装置回到过去,也即在自己出发之前又回到了地球。只不过回去的不是自己出发时的地球,而是欲去时间段的地球,看到自己的奶奶,甚至祖先,却不会影响和扭转他作为先人后代的命运。

新研究对抗传统宇宙学

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。

但在不久前,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。

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。

试窥物理之真相

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。

同时,困扰物理界数十年、大爆炸理论衍生出的违反量子物理学定律的壁垒:黑洞信息丢失之谜,亦能因此得以解释。在这个谜题中人们发现,一旦物质经过“事件穹界”时,所有有关该物质的信息都会丢失;然而量子力学下的演化过程中,信息应该是守恒的。这意味着量子力学与广义相对论之间的潜在冲突,但在波普瓦夫斯基构建的理论里,其完全被避免。

目前,波普瓦夫斯基试图将结论应用到其他类型的黑洞中,相关计算还需要进一步细化。

“当排除一切不可能,剩下的无论多么难以置信,也必是真相。”歇洛克·福尔摩斯的名言相当于给宇宙学加了个注脚。一项全新的理论很可能打开一个全新的领域,虫洞是时间旅行的直接关系者,尽管仍一无所知,但人们似乎已欲伸指触碰这扇时空之门,以窥得我们宇宙最深处的秘密。
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