杂志汇太空探索

虫洞——连接时空的隧道

作者:文/闻新 陈怡婧
霍金认为,虫洞的重要作用在于连接时空隧道。如果把时空比喻为苹果,虫洞就是连接苹果表面上两个点的洞穴,这个洞穴对应的是连结时空中相异两点的捷径。从一个洞穴到另一个洞穴,如果沿苹果表面走就比较远,而走苹果里面的隧道就比较近。宇宙中的虫洞就好像这个隧道。

假定存在虫洞,我们有可能穿越虫洞去别的宇宙旅行吗?科学家认为有这种可能,因为虫洞并没有因为宇宙膨胀而断裂,所以我们有可能通过虫洞前往其他宇宙,或者通过虫洞接收来自其他宇宙的信息,甚至接待来自其他宇宙的智慧生物。

泡沫宇宙虫洞的形成过程

相对论和量子论告诉我们,原始的宇宙诞生于虚无缥缈之中。在大爆炸后的10-43秒前,宇宙处于“混沌”状态,分不清上下、左右和先后,甚至分不清时间和空间,充满着时空泡沫。

在膨胀过程中,时空泡沫演化为“宇宙泡沫”,宇宙泡沫之间有隧道相连,而且隧道可能不止一条,这种连接宇宙泡沫的隧道被科学家称为“虫洞”。简单来说,虫洞就是连接宇宙空间的时空细管。

这些宇宙泡沫迅速膨胀,泡内大量的真空能转化为物质能。每个泡沫形成一个宇宙,其中之一形成了我们的宇宙。宇宙中的物质能量进而聚集成星系,形成了恒星和行星。在某些条件下合适的星球上出现了生命,其中的一些生命进化成有意识、有智慧的高级生物,例如人类就是这些高级生物中的一种。

今天我们观察到的膨胀宇宙,只是大量宇宙泡形成的大量宇宙中的一个。而且随着当今宇宙的发展,也许正在产生新的宇宙,新的宇宙称为婴儿宇宙,像细胞分裂一样,在没有完全分开之前也会由空间管道,也就是虫洞连接着。

虫洞的种类

科学家认为,存在两种虫洞,一类是可通过的“洛伦兹虫洞”,另一类是可瞬时通过的“欧几里德虫洞”。研究表明,“洛伦兹虫洞”是一直存在的,它可能存在于黑洞中或其他地方,而“欧几里德虫洞”是瞬间存在的。

“洛伦兹虫洞”可以想象为日常生活中的隧道,就好像泡壶(茶叶)的“手柄”,在同一宇宙空间有两个开口。这样的宇宙,从A点运动到B点的飞船有两条路径可走。一条是穿过虫洞达到B点,另一条是不穿过虫洞到达B点,如果父子两人,各自驾驶一艘飞船,父亲穿过虫洞达到B点,而儿子不穿过虫洞到达B点,他们父子经历的时间是不同的,所以他们达到B点相会时,父亲的年龄比儿子要小很多很多。目前的一些研究表明,“洛伦兹虫洞”经过适当改造后,可以变成“时间机器”或“时光隧道”,航天员通过它后,可以回到自己的童年,见到童年的自己。

现在谈谈“欧几里德虫洞”。这是一种可瞬间通过的虫洞,经过这种虫洞前往其他宇宙的人不需要时间,他会在眨眼间从我们眼前消失,他感觉自己在眨眼间已经处在另一个宇宙之中,就好像武侠影片中的“来无影、去无踪”场面。假如一个“欧几里得虫洞”只与本宇宙相通,例如联通北京和多伦多,那么一个经历此虫洞的人会在瞬间从北京的航天桥上消失,突然出现在多伦多的彩电塔之上。

更为有趣的是,“欧几里德虫洞”可以通向我们的过去和未来。一个通过虫洞的人在我们眼前消失之后,有可能突然出现在秦始皇修长城的工地里。甚至还有传言,几个小孩翻墙跳下去,其中有个小孩跳下后未坠地便消失,而前后的小孩都正常着地,传言说这个小孩是经过虫洞落到了别的地方,这个虫洞就是“欧几里德虫洞”。虽然我们暂时无法证明传言的真伪,但通过“欧几里得虫洞”到未来去观光也是令人神往的事情。不过,我们还不要高兴得太早,因为人类对宇宙的认识才刚刚开始。

连接同一宇宙空间的“洛伦兹虫洞”撑开虫洞的异常物质

天文学家萨根的科幻小说《接触》,叙述了一个女主角落入地球附近的一个黑洞,那个黑洞内部连着穿越空间的时空隧道,一个小时后,女主角到达隧道的另一个出口,该出口位于织女星附近,距离我们地球26光年。

萨根把有关内容告诉了他的好友,著名的相对论专家索恩,索恩认为黑洞内部不稳定,即使存在时空隧道,稍有扰动也会立即封闭,所以飞船不可能通过,因而黑洞不能作为星际航行的时空通道。

然而,小说的情节深深地打动了索恩,他和他的学生莫里斯开始研究是否有可穿越的时空隧道。经过研究表明,在一定条件下有可能存在“时空隧道”,这种隧道就是洛伦兹虫洞。索恩研究发现,洛伦兹虫洞需要由异常物质来撑开,这种异常物质的平均能量密度为负,而且会产生巨大的张力。

撑开一个半径1厘米的虫洞,需要一个地球质量的异常物质;撑开一个半径1公里的虫洞,需要一个太阳质量的异常物质。另外,通过虫洞的航天员会受到异常物质产生的巨大张力,这种张力足以把原子扯碎。张力与虫洞半径的平方成反比。

目前研究结果表明,当虫洞半径小于1光年时,异常物质产生的张力比原子不被破坏的最大张力还大,所以,作为星际航行通道的虫洞,其半径至少要大于1光年。飞船是否可以通过洛伦兹虫洞,在很大程度上决定于物理学是否允许异常物质的存在,而且是最大的异常物质的存在。

根据萨根的科幻小说《接触》拍摄的电影《接触》

内部存在巨大张力的虫洞虫洞理论的产生

当阿尔伯特·爱因斯坦在思考黑洞时,寻求了天文学家卡尔·史瓦西的帮助,得到了爱因斯坦方程的史瓦西解,可以简单解释为:对于一个特定的质量存在一个临界半径,如果把这个质量压缩到临界半径,就会发生坍缩。而史瓦西在对黑洞进行计算时,得出的不是一个解,而是一对解。类似于二次方程的正负根,可以解释为描述黑洞的方程式可以颠倒过来,即描述奇点的物体的扩张,由此产生白洞的理论。在物理学家分析黑洞与白洞时,利用爱因斯坦理论开展实验,便可产生一种特定的虫洞。虫洞连接着黑洞与白洞,在两者之间进行物质传输,所以虫洞也被称为“灰道”。

在天文学上,关于虫洞的存在还没有在宇宙中寻找到任何依据,但虫洞给了我们穿越时空旅行带来了希望,如从同一宇宙中一处穿越至另一处,从一个宇宙穿越到另一个宇宙,或从现在穿越到过去或者将来。所以,科学家们将会坚持不懈地继续去努力探寻虫洞和制造时空隧道的方法,同时,探寻时空隧道存在和制造时空隧道的可能性,也对我们深入理解宇宙有重大的帮助。

本专题责任编辑:陈彩连 夏丹 薛滔

 

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