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制造一个虫洞分几步?

2022.06.11 北京


图片来源:pixabay

第一步,学好广义相对论。第二步,学好量子力学。第三步,学好量子引力理论。目前我们主要卡在第三步。

撰文 | 王昱

审校 | 白德凡

300年后,你终于攒足首付买到了自己心仪的宇宙飞船,迫不及待想在银河之间遨游。但马上你发现了一个严峻的问题:真实的宇宙里没有传送门。宇宙太大了,即使以光速飞行,从太阳系抵达最近的恒星也需要四年以上的时间。当然,考虑到相对论钟慢效应,在你看来花的时间并没有那么久。但地球上的银行可管不了这么多,他们会按照地球上的时间让你还“飞船贷”。

那如何才能避免宇宙旅行中的时间危机呢?是时候制造一个虫洞了。

在科幻作品中,虫洞是一种常见的捷径、跨越时空的桥梁,可以让你跳过太空旅行中无聊的等待,以极快的速度抵达目的地。既然是科幻作品,自然需要现实理论的支撑,所以,在真实世界中,我们如何才能制造一个虫洞?

爱因斯坦-罗森桥

爱因斯坦建立的广义相对论是描绘宇宙的语言。根据广义相对论,引力本质上并不是一种力,而是宇宙中物质分布带来的时空曲率。物质决定了时空如何扭曲,而扭曲的时空又决定了物质将如何运动。我们无法在宇宙中超光速运动,却能在时空的不同区域建造隧道——也就是虫洞。这并没有违反广义相对论的框架,这种时空隧道名为爱因斯坦-罗森桥(The Einstein-Rosen Bridge),它更为人所熟知的名字是虫洞。

如果想搭建虫洞,我们需要将能量和物质按特定的方式排列起来,使时空弯曲,确保时空隧道能够出现。而广义相对论方程的解告诉我们,虫洞作为一种异常现象,诞生于怪异的黑洞中却并不会显得奇怪

黑洞是广义相对论方程的奇点。在广义相对论中,当物质被挤压到极高的密度,以至于任何相互作用都不能抵挡这些物质对时空造成的扭曲,黑洞遍不可避免的产生了。黑洞的边界被称为事件视界,一旦跨越,就连光也无法从扭曲的时空漩涡中逃离。

但黑洞并不是唯一的奇点。广义相对论的方程同样允许完全相反的奇点存在,也就是白洞。白洞的中心同样有一个奇点,但它的事件视界和黑洞相反。任何物质都无法进入白洞,而白洞内的任何物质在形成时就会以超光速被抛离出去。

从数学上看,白洞会在黑洞产生时自然形成,而一对相连的黑洞和白洞会自动形成一个虫洞。

但是,用这种办法建造虫洞还有两个小问题。

首先,自然中几乎不可能存在白洞。因为白洞太过活跃,高度不稳定。白洞的事件视界一直在不断向外辐射物质。由于白洞在广义相对论方程上和黑洞完全等价,只有事件方向相反,因此演化过程中的白洞看起来会是黑洞演化过程的倒放。所以,白洞最终会演化到黑洞演化的起点——一颗恒星。这违反了热力学第二定律,所以白洞这一选项被排除了。

就算真的能构建一对黑洞和白洞,那么它们两者之间形成的虫洞入口只会位于黑洞视界之内,你必须进入黑洞才能继续虫洞之旅。但黑洞的性质决定了,一旦进入黑洞,就永远无法离开,无论如何,你都会被黑洞中心奇点周围巨大的引力梯度撕碎。

莫里斯-索恩桥

所以,如果想用虫洞进行星际旅行,除了构建一个虫洞,我们还必须保证我们能从这个虫洞穿越过去。还好,广义相对论的方程允许我们把虫洞的入口放到黑洞事件视界之外。但代价就是这样的虫洞极不稳定,哪怕只有一个光子穿越虫洞,整个虫洞的时空结构就会立即以超光速坍塌。

1988年,物理学家迈克尔·莫里斯(Michael Morris)和基普·索隆(Kip Thorne)发现了构建稳定、可用、可供穿越的虫洞的方法,被称为莫里斯-索恩桥(Morris-Thorne Bridge)。但在他们的条件下,虫洞必须是由“负物质”——或者说“奇异物质”——构成的。

这不是电荷与正常物质相反的反物质,也不是看不见却能提供引力的暗物质,构建可穿越虫洞的关键物质是质量为负的“负物质”。在虫洞方程中引入负质量,可以消除虫洞的不稳定性,同时可以让虫洞的入口膨胀到足够大,足以让宏观物体穿越虫洞。

但负质量物质又是什么呢?

我们在宇宙中还没有发现负质量物质。这种物质的性质非常奇怪,当它受力时,根据动力学方程,因为负号的作用,它会朝着力的反方向运动。这完全颠覆了我们对物理学的理解。假如生活中存在负质量物质,那去超市购物时如果买了-2斤大米,超市似乎还要倒欠我们几元钱。

奇异能量

根据爱因斯坦质能方程,能量和质量本质上是等价的。虽然我们没能在宇宙中找到负质量物质,但负能量却是真实存在的。真空中,两块相距很近的板之间会因为零点真空能的涨落产生一定的引力,这个过程中的真空能涨落,可能导致负能量密度的出现,这被称为卡西米尔效应。

卡西米尔效应示例 图片来源:Wikipedia


卡西米尔效应不仅被测到过,甚至在制造纳米结构时,这还是一个不得不考虑的干扰因素。在有负能量的地方,就有可能建立稳定的、可供穿越的虫洞。但目前我们的负能量实验局限于纳米尺度,想要建造真正可用的虫洞,或许还要寄希望于量子引力这一未知领域。

广义相对论告诉我们虫洞可能存在,并且能保持稳定,能让物质穿越过去,但前提是允许负能量(负质量物质)的存在。而量子力学告诉我们如何产生负能量,但这种效应只有在微观尺度下才能存在。想要获得真正可用的虫洞,或许我们首先要解决的问题是建立量子引力理论

除了常规量子引力理论,我们或许还能用更奇特的理论来构建虫洞,比如弦论。弦论希望将物理学中的点状粒子替换为一维的弦和二维的膜,由此解决量子引力问题。事实上,弦论的框架本身容许稳定虫洞的存在,但弦论本身并不完整,目前我们还无法证实这种理论。

参考链接

https://arstechnica.com/science/2022/05/how-to-build-a-wormhole-in-just-3-nearly-impossible-steps/

https://en.wikipedia.org/wiki/Wormhole

https://journals.aps.org/pr/abstract/10.1103/PhysRev.73.360

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