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蟲洞

科學知識 9547 162
蟲洞(Wormhole)又稱愛因斯坦-羅森橋,是宇宙中可能存在的連接兩個不同時空的狹窄隧道。蟲洞是1930年代由愛因斯坦及納森·羅森在研究引力場方程時假設的,認為透過蟲洞可以做瞬時的空間轉移或者做時間旅行。 

由阿爾伯特·愛因斯坦提出該理論。簡單地說,“蟲洞”就是連接宇宙遙遠區域間的時空細管。暗物質維持著蟲洞出口的敞開。蟲洞可以把平行宇宙和嬰兒宇宙連接起來,并提供時間旅行的可能性。蟲洞也可能是連接黑洞和白洞的時空隧道,所以也叫灰道。

基本信息

  • 中文名稱

    時空洞

  • 外文名稱

    Wormhole

  • 理論基礎

    研究引力場方程時假設

  • 適用領域范圍

    天體起源

  • 別    稱

    愛因斯坦-羅森橋

  • 提出時間

    1930年

  • 性    質

    空間想象

  • 類    型

    多維空間隧道

  • 注    音

    ㄔㄨㄥˊ ㄉㄨㄥˋ

  • 拼    音

    chong dong

  • 譯    稱

    蛀孔或蠹孔

  • 提出者

    愛因斯坦及納森·羅森

  • 作    用

    做瞬時的空間轉移或者做時間旅行

  • 應用學科

    天體物理

  • 通俗定義

    連接兩個不同時空的狹窄隧道

目錄
1​基本介紹
2蟲洞來源
3理論形成
4產生機制
5蟲洞性質
6量子糾纏
7關于時間
8相關理論
9相關言論

​基本介紹

蟲洞,英文為:Wormhole

蟲洞

早在19世紀50年代,已有科學家對“蟲洞”作過研究,由于當時歷史條件所限,一些物理學家認為,理論上也許可以使用“蟲洞”,但“蟲洞”的引力過大,會毀滅所有進入的東西,因此不可能用在宇宙航行上。

“瞬間移動”的可能,如同超時空轉換。

隨著科學技術的發展,新的研究發現,“蟲洞”的超強力場可以通過“負質量”來中和,達到穩定“蟲洞”能量場的作用。科學家認為,相對于產生能量的“正物質”,“反物質”也擁有“負質量”,可以吸去周圍所有能量。像“蟲洞”一樣,“負質量”也曾被認為只存在于理論之中。不過,目前世界上的許多實驗室已經成功地證明了“負質量”能存在于現實世界,并且通過航天器在太空中捕捉到了微量的“負質量”。

據科學家猜測,宇宙中充斥著數以百萬計的“蟲洞”,但很少有直徑超過10萬公里的,而這個寬度正是太空飛船安全航行的最低要求。“負質量”的發現為利用“蟲洞”創造了新的契機,可以使用它去擴大和穩定細小的“蟲洞”。

科學家指出,如果把“負質量”傳送到“蟲洞”中,把“蟲洞”打開,并強化它的結構,使其穩定,就可以使太空飛船通過。[1]

蟲洞來源

蟲洞的概念最初產生于對史瓦西解的研究中。物理學家在分析白洞——黑洞的相反物理量子解的時候,通過一個阿爾伯特·愛因斯坦的思想實驗,發現宇宙時空自身可以不是平坦的。如果恒星形成了黑洞,那么時空在史瓦西半徑,也就是視界的地方與原來的時空垂直。在不平坦的宇宙時空中,這種結構就意味著黑洞視界內的部分會與宇宙的另一個部分相結合,然后在那里產生一個洞。這個洞可以是黑洞,也可以是白洞。而這個彎曲的視界,就叫做史瓦西喉,它就是一種特定的蟲洞。(右圖片繪制:張嘉年)

自從在史瓦西解中發現了蟲洞,物理學家們就開始對蟲洞的性質發生了興趣。

蟲洞連接黑洞和白洞,在黑洞與白洞之間傳送物質。在這里,蟲洞成為一個阿爾伯特·愛因斯坦—羅森橋,物質在黑洞的奇點處被完全瓦解為基本粒子,然后通過這個蟲洞(即阿爾伯特·愛因斯坦—羅森橋)被傳送到白洞并且被輻射出去。

蟲洞還可以在宇宙的正常時空中顯現,成為一個

其一,是黑洞的強大引力能。

其二,是克爾黑洞的快速旋轉,其倫斯——梯林效應將黑洞周圍的能層中的時空撕開一些小口子。這些小口子在引力能和旋轉能的作用下被擊穿,成為一些十分小的蟲洞。這些蟲洞在黑洞引力能的作用下,可以確定它們的出口在那里,但是現在還不可能完全完成,因為量子理論和相對論還沒有完全結合。

個人假設

1.蟲洞像河流,通過的物體像船,船順河而下。

2.蟲洞體像一個圓柱形磁鐵,強力的類磁力線在入口處將通過的物體分解,以波的形式在柱心管道運行,在出口處還原。通過的物體類似一個障礙,造成波的某一部分形變,然后這個形變推移到出口。

可能還涉及到橫波、縱波,波的反射、折射、衍射,物質的不均勻、空間的不規則,如同水中氣泡般的宇宙空洞。

3.蟲洞像一個圓柱形隧道,通過時間扭曲,把物體吸入里面,進行太空旅行。

4.可以這么說,如果在一張紙的兩邊有兩個點,將紙疊起來,相當于將空間與時間重疊,用筆穿過兩個點所形成的洞就相當于蟲洞,蟲洞可以使時間縮短,但現實卻會經歷很長時間,國外就有這樣的例子.

想象中的蟲洞

蟲洞的出現,幾乎可以說是和黑洞同時的。

蟲洞在史瓦西解中第一次出現,是當物理學家們想到了白洞的時候。他們通過一個愛因斯坦的思想實驗,發現時空可以不是平坦的,而是彎曲的。

我們先來看一個蟲洞的經典作,將物質在黑洞的奇點處被完全瓦解為基本粒子,然后通過這個蟲洞(即愛因斯坦—羅森橋)被傳送到這個白洞的所在,并且被輻射出去。

當然,前面說的僅僅是蟲洞作為一個黑洞和白洞之間傳送物質的道路,但是蟲洞的作用遠不只如此。

黑洞和黑洞之間也可以通過蟲洞連接,當然,這種連接無論是如何的將強它還是僅僅是一個連通的“宇宙監獄”,

蟲洞不僅可以作為一個連接洞的工具,它還在宇宙的正常時空中出現,成為一個突然出現在宇宙中的超空間管道,

蟲洞沒有視界,因而我們可以安全地通過蟲洞,而不被巨大的引力所毀。

蟲洞性質

利用相對論在不考慮一些量子效應和除引力以外的任何能

到現在為止,我們討論的都是普通“完美”黑洞。細節上,我們討論的黑洞都不旋轉也沒有電荷。如果我們考慮黑洞旋轉同時/或者帶有電荷,事情會變的更復雜。特別的是,你有可能跳進這樣的黑洞而不撞到奇點。結果是,旋轉的或帶有電荷的黑洞內部連接一個相應的白洞,你可以跳進黑洞而從白洞中跳出來。這樣的黑洞和白洞的組合叫做蟲洞。

白洞有可能離黑洞十分遠;實際上它甚至有可能在一個“不同的宇宙”--那就是,一個時空區域,除了蟲洞本身,完全和我們在的區域沒有連接。一個位置方便的蟲洞會給我們一個方便和快捷的方法去旅行很長一段距離,甚至旅行到另一個宇宙。或許蟲洞的出口停在過去,這樣你可以通過它而逆著時間旅行。總的來說,它們聽起來很酷。

但在你認定那個理論正確而打算去尋找它們之前,你應該知道兩件事。首先,蟲洞幾乎不存在。正如我們上面我們說到白洞時,只因為它們是方程組有效的數學解并不表明它們在自然中存在。特別的,當黑洞由普通物質坍塌形成(包括我們認為存在的所有黑洞)并不會形成蟲洞。如果你掉進其中的一個,你并不會從什么地方跳出來。你會撞到奇點,那是你唯一可去的地方。

還有,即使形成了一個蟲洞,它也被認為是不穩定的。即使是很小的擾動(包括你嘗試穿過它的擾動)都會導致它坍塌。

在史瓦西發現了史瓦西黑洞以后,理論物理學家們對愛因斯坦常方程的史瓦西解進行了幾乎半個世紀的探索。包括上面說過的克爾解、雷斯勒——諾斯特朗姆解以及后來的紐曼解,都是圍繞史瓦西的解研究出來的成果。我在這里將介紹給大家的蟲洞,也是史瓦西的后代。

蟲洞在史瓦西解中第一次出現,是當物理學家們想到了白洞的時候。他們通過一個愛因斯坦的思想實驗,發現時空可以不是平坦的,而是彎曲的。在這種情況下,我們會十分驚奇的發現,如果恒星形成了黑洞,那么時空在史瓦西半徑,也就是視界的地方是與原來的時空完全垂直的。在不是平坦的宇宙時空中,這種結構就以為著黑洞的視界內的部分會與宇宙的另一個部分相結合,然后在那里產生一個洞。這個洞可以是黑洞,也可以是白洞。而這個彎曲的視界,叫史瓦西喉,也就是一種特定的蟲洞。

自從在史瓦西解中發現了蟲洞,物理學家們就開始對蟲洞的性質感到好奇。

我們先來看一個蟲洞的經典作用:連接黑洞和白洞,成為一個愛因斯坦——羅森橋,將物質在黑洞的奇點處被完全瓦解為基本粒子,然后通過這個蟲洞(即愛因斯坦——羅森橋)被傳送到這個白洞的所在,并且被輻射出去。黑洞和黑洞之間也可以通過蟲洞連接,當然,這種連接無論是如何的將強,它還是僅僅是一個連通的“宇宙監獄”。

蟲洞不僅可以作為一個連接洞的工具,它還在宇宙的正常時空中出現,成為一個突然出現在宇宙中的超空間管道。

蟲洞沒有視界,它有的僅僅是一個和外界的分解面。蟲洞通過這個分解面和超空間連接,但是在這里時空曲率不是無限大。就好比在一個在平面中一條曲線和另一條曲線相切,在蟲洞的問題中,它就好比是一個四維管道和一個三維的空間相切,在這里時空曲率不是無限大。因而我們現在可以安全地通過蟲洞,而不被巨大的引力所摧毀。

相關言論

星空最后的前沿

探索星

但是許多經典物理學做不到的事情在二十世紀初隨著量子理論的發展卻變成了可能。負能量的存在很幸運地正是其中一個例子。 在量子理論中,真空不再是一無所有, 它具有極為復雜的結構,每時每刻都有大量的虛粒子對產生和湮滅。一九四八年, 荷蘭物理學家卡什米爾(Hendrik Casimir) 研究了真空中兩個平行導體板之間的這種虛粒子態,結果發現它們比普通的真空具有更少的能量, 這表明在這兩個平行導體板之間出現了負的能量密度!在此基礎上他發現在這樣的一對平行導體板之間存在一種微弱的相互作用。 他的這一發現被稱為卡什米爾效應。將近半個世紀后的一九九七年, 物理學家們在實驗上證實了這種微弱的相互作用,從而間接地為負能量的存在提供了證據。除了卡什米爾效應外, 二十世紀七八十年代以來,物理學家在其它一些研究領域也先后發現了負能量的存在。

因此,種種令人興奮的研究都表明, 宇宙中看來的確是存在負能量物質的。但不幸的是, 迄今所知的所有這些負能量物質都是由量子效應產生的,因而數量極其微小。 以卡什米爾效應為例,倘若平行板的間距為一米, 它所產生的負能量的密度相當于在每十億億立方米的體積內才有一個(負質量的) 基本粒子!而且間距越大負能量的密度就越小。 其它量子效應所產生的負能量密度也大致相仿。因此在任何宏觀尺度上由量子效應產生的負能量都是微乎其微的。

另一方面,物理學家們對維持一個可穿越蟲洞所需要的負能量物質的數量也做了估算, 結果發現蟲洞的半徑越大,所需要的負能量物質就越多。 具體地說,為了維持一個半徑為一公里的蟲洞所需要的負能量物質的數量相當于整個太陽系的質量。

如果說負能量物質的存在給利用蟲洞進行星際旅行帶來了一絲希望,那么這些更具體的研究結果則給這種希望潑上了一盆無情的冷水。 因為一方面迄今所知的所有產生負能量物質的效應都是量子效應,所產生的負能量物質即使用微觀尺度來衡量也是極其微小的。 另一方面維持任何宏觀意義上的蟲洞所需的負能量物質卻是一個天文數字!這兩者之間的巨大鴻溝無疑給建造蟲洞的前景蒙上了濃重的陰影。

探險者的地獄

雖然數字看起來令人沮喪, 但是別忘了當我們討論蟲洞的時候,我們是在討論一個科幻的話題。 既然是討論科幻的話題,我們姑且把眼光放得樂觀些。 即使我們自己沒有能力建造蟲洞,或許宇宙間還存在其它文明生物有能力建造蟲洞, 就象《星際之門》的故事那樣。甚至, 即使誰也沒有能力建造蟲洞,或許在浩瀚宇宙的某個角落里存在著天然的蟲洞。因此讓我們姑且假設在未來的某一天人類真的建造或者發現了一個半徑為一公里的蟲洞。

我們是否就可以利用它來進行星際旅行了呢?

初看起來半徑一公里的蟲洞似乎足以滿足星際旅行的要求了, 因為這樣的半徑在幾何尺度上已經足以讓相當規模的星際飛船通過了。看過科幻電影的人可能對星際飛船穿越蟲洞的特技處理留有深刻的印象。 從屏幕上看,飛船周圍充斥著由來自遙遠天際的星光和輻射組成的無限絢麗的視覺幻象, 看上去飛船穿越的似乎是時空中的一條狹小的通道。

但實際情況遠比這種幻想來得復雜。 事實上為了能讓飛船及乘員安全地穿越蟲洞,幾何半徑的大小并不是星際旅行家所面臨的主要問題。 按照廣義相對論,物質在通過象蟲洞這樣空間結構高度彎曲的區域, 會遇到一個十分棘手的問題,那就是張力。這為由于引力場在空間各處的分布不均勻所造成的,它的一種大家熟悉的表現形式就是海洋中的潮汐。由于這種張力的作用, 當星際飛船接近蟲洞的時候,飛船上的乘員會漸漸感覺到自己的身體在沿蟲洞的方向上有被拉伸的感覺, 而在與之垂直的方向上則有被擠壓的感覺。這種感覺便是由蟲洞引力場的不均勻造成的。 一開始,這種張力只是使人稍有不適而已, 但隨著飛船與蟲洞的接近,這種張力會迅速增加, 距離每縮小到十分一,這種張力就會增加約一千倍。 當飛船距離蟲洞還有一千公里的時候,這種張力已經超出了人體所能承受的極限, 如果飛船到這時還不趕緊折回的話,所有的乘員都將在致命的張力作用下喪命。 再往前飛一段距離,飛船本身將在可怕的張力作用下解體, 而最終,瘋狂增加的張力將把已經成為碎片的飛船及乘員撕成一長串亞原子粒子。從蟲洞另一端飛出的就是這一長串早已無法分辨來源的亞原子粒子!

這就是星際探險者試圖穿越半徑為一公里的蟲洞將會遭遇的結局。半徑一公里的蟲洞不是旅行家的天堂, 而是探險者的地獄。

因此一個蟲洞要成為可穿越蟲洞, 一個很明顯的進一步要求就是:飛船及乘員在通過蟲洞時所受到的張力必須很小。 計算表明,這個要求只有在蟲洞的半徑極其巨大的情況下才能得到滿足[注六]。 那么究竟要多大的蟲洞才可以作為星際旅行的通道呢?計算表明, 半徑小于一光年的蟲洞對飛船及乘員產生的張力足以破壞物質的原子結構,這是任何堅固的飛船都無法經受的, 更遑論脆弱的飛船乘員了。因此, 一個蟲洞要成為可穿越蟲洞,其半徑必須遠遠大于一光年。

從科幻到現實

但另一方面, 一光年用日常的距離來衡量雖然是一個巨大的線度,用星際的距離來衡量, 卻也不算驚人。我們所在的銀河系的線度大約是它的十萬倍, 假如在銀河系與兩百二十萬光年外的仙女座大星云之間存在一個蟲洞的話,從線度上講它只不過是一個非常細小的通道。 那么會不會在我們周圍的星際空間中真的存在這樣的通道,只不過還未被我們發現呢? 答案是否定的。因為半徑為一光年的蟲洞真正驚人的地方不在于它的線度, 而在于維持它所需的負能量物質的數量。計算表明, 維持這樣一個蟲洞所需的負能量物質的數量相當于整個銀河系中所有發光星體質量總和的一百倍!這樣的蟲洞產生的引力效應將遠比整個銀河系的引力效應更為顯著, 如果在我們附近的星際空間中存在這種蟲洞的話,周圍幾百萬光年內的物質運動都將受到顯著的影響,我們早就從它的引力場中發現其蹤跡了。

因此不僅在地球上不可能建造可穿越蟲洞,在我們附近的整個星際空間中都幾乎不可能存在可穿越蟲洞而未被發現。

這樣看來,我們只剩下一種可能性需要討論了, 那就是在宇宙的其它遙遠角落里是否有可能存在可穿越蟲洞?對于這個問題, 我們也許永遠都無法確切地知道結果,因為宇宙實在太大了。 但是維持可觀測蟲洞所需的數量近乎于天方夜譚的負能量物質幾乎為我們提供了答案。迄今為止, 人類從未在任何宏觀尺度上發現過負能量物質,所有產生負能量物質的實驗方法利用的都是微弱的量子效應。為了能夠維持一個可穿越蟲洞, 必須存在某種機制把量子效應所產生的微弱的負能量物質匯集起來,達到足夠的數量。 但是負能量物質可以被匯聚起來嗎?最近十幾年來物理學家們在這方面做了一些理論研究, 結果表明由量子效應產生的負能量物質是不可能無限制地加以匯聚的。負能量物質匯聚得越多, 它所能夠存在的時間就會越短。因此一個蟲洞沒有負能量物質是不穩定的, 負能量物質太多了也會不穩定!那么到底什么樣的蟲洞才能夠穩定的呢? 初步的計算表明,只有線度比原子的線度還要小二十幾個數量級的蟲洞才是穩定的[注七]!

這一系列結果無疑是非常冷酷的, 如果這些結果成立的話,存在可穿越蟲洞的可能性就基本上被排除了, 所有那些美麗的科幻故事也就都成了鏡花水月。不過幸運 (或不幸) 的是,上面所敘述的許多結果依據的是目前還比較前沿 - 因而相對來說也還比較不成熟- 的物理理論。未來的研究是否會從根本上動搖這些理論, 從而完全推翻我們上面介紹的許多結果,還是一個未知數。 退一步講,即使那些物理理論基本成立, 上面所敘述的許多結果也只是從那些理論推出的近似結果或特例。比方說, 許多結果假定了蟲洞是球對稱的,而實際上蟲洞完全可以是其它形狀的, 不同形狀的蟲洞所要求的負能量物質的數量,所產生張力的大小都是不同的。 所有這些都表明即使那些物理理論真的成立,我們上面提到的結論也不見得是完全

打開它的方法就是共鳴利用物質間相互吸引原理使兩時空蟲洞正反兩種物質能量互相吸引從而打開它,但這兩種能量是光能量與暗能量。

蟲洞至始至終從未有一個人發現過,☆可以將一個地帶帶到另一個的地帶。