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我们能看见虫洞吗?


什么是虫洞


宇宙中的虫洞是科学家推测可能存在的一种特殊隧道,它的两头连接着两个遥远的时空,理论上说,如果能从虫洞的一端穿越到另一端,就能实现超越光速的时空旅行。

 

要想清楚了解虫洞的来头,我们还得再次回到1916年。##历史文章上帝不会掷骰子?——谈谈量子力学》##


爱因斯坦提出广义相对论后,各地的科学家都对这一理论展开了积极研究,来自奥地利的物理学家Ludwig Flamm就是在这一过程中想到了类似虫洞概念

 

在解决广义相对论的核心方程(爱因斯坦场方程)时,方程的史瓦西解(Schwarzschild'ssolution)被找到,只是在这个解里面存在着奇异点,或者说是方程中的特殊情况(就像y=1/x这个方程里,x=0的情况)。当我们把这种特殊情况和它的物理意义联系起来时,黑洞和白洞就被相继提出。

 

Kruskal 坐标下的史瓦西图,1,3象限代表两个独立的时空,2的曲线边界是白洞,4的曲线边界则代表黑洞 Credits: Wikipedia (Kruskal–Szekeres coordinates)


在霍金的两大科普著作《时间简史》、《果壳中的宇宙》的帮助下,黑洞这一概念早已深入人心。它是在恒心死亡时,由于体积收缩,密度变大,获得使光也无法逃脱的巨大密度的一种天体。而所谓白洞,其实就是和黑洞具有相反性质的特殊天体,特点是不断往外“吐”出东西,只发射而不吸收。Ludwig Flamm设想中的虫洞正是连接黑洞和白洞的“管道”,由于联系着一黑一白,虫洞也有了另一个名称叫作“灰道”。

 

1935年,爱因斯坦和罗森完善并正式提出了这一理论,从此,这种连接两个时空的神奇通道被人们称作爱因斯坦-罗森桥(Einstein-Rosen bridges),或者虫洞(wormhole)


理解虫洞 Credit: Wikipedia (Wormhole visualized)


这样看来,黑洞、白洞和虫洞其实都是从物理方程出发,在数学意义上存在的概念。它们在宇宙里是否真的存在,还需要我们的观测结果来证实。关于黑洞,我们前几年已经在宇宙中找到了它存在的蛛丝马迹,但是白洞和虫洞的踪迹却一直未能被人类捕捉到。

 


黑洞和虫洞的观测


霍金曾对微观上的虫洞作出过解释,在他的理论中,微观虫洞其实不断在量子真空中出现和消失,只是它们体积极小,只有不及原子大小的基本粒子才能通过。这一解释显然让那些对时空旅行的充满期待的人失望了,幸运的是,宏观上的虫洞在理论上也是可能存在的。


地球的引力作用造成空间扭曲,使卫星在特定的轨道上运行

 

宏观上的虫洞和黑洞一样,周围会产生严重的时空包裹,也就是极强的引力作用。在这种作用下,光线沿曲线行走,虫洞周围的星云尘埃发出的光线汇聚过来,形成一个围绕虫洞的光环。于是,虫洞周围的光线就像围绕地球运行的卫星,过于靠近的光子会因为引力作用被虫洞吸收,所以光环往里是一个圆形的黑色虚空,我们叫作阴影(shadow)。

 

同样的,在银河系的正中,我们曾间接观测到的那个巨大黑洞也有着这样的阴影区域,只是他的相对体积非常的小。为了直接观测到黑洞的阴影,我们在全球设立了射电望远镜阵列,形成一个地球大小的组合“望远镜”,也就是视界望远镜(EHT,Event Horizon Telescope),现在科学家们正在分析去年收集到的第一批数据,试图提供直接观测到的黑洞存在的依据。

 

巨大的密度意味着超强的引力,使速度最快的光也无法逃脱


上个月30号(3/18/2018),来自印度孟买的物理学家Rajibul Shaikh在arXiv上发表了一份最新研究成果(论文内容点击阅读原文),研究发现,一种特定的虫洞在旋转时会产生更加扭曲的阴影,而高速旋转下的黑洞的阴影则是保持一种碟型。所以如果我们可以直接观测到阴影的存在,这项发现就能帮助我们分辨观测到的究竟是黑洞还是虫洞

 

在这项研究中,虫洞喉咙的影响被考虑了进来,这也是之前的多数研究者都忽视的问题。虫洞的喉咙连接着虫洞的两端,并且在理论上会影响它产生的阴影的形状。

 


科学变革的可能


在广义相对论的体系之下,虫洞产生的引力作用是如此巨大,它其实不能单独存在多久就会自我毁灭,所以虫洞的长期存在需要奇异物质(exotic matter)的维持。

 

“奇异物质”这个十分玄幻的词并不是Rex使用的一个修饰词,而是科学家定义的一类物质的名称!但是顾名思义,这些物质有着奇异的性质,或者说能力,可以做到一些一般物质完成不了的任务,比如说负能量产生的反引力效果,可以抵消正常的引力效应,从而维持虫洞的“存活”。广义上对它的定义是:不由强子(baryons)所构成的物质。

 

所以说,如果我们真的可以直接观测到宇宙中的虫洞,那么也就间接证明了奇异物质的存在,或许我们会迎来另一次的科学变革,使得科学家们重新定义和理解引力,以及宇宙物质的构成等问题。


电影星际穿越中的画面

 

然而,以上的一切都基于层层假设之上,我们能否真的直接观测到阴影还需要等待数据分析的结果。上述对阴影形状的研究也只是基于一种特定的虫洞才能适用,这种虫洞是一种简化的,对称的理想虫洞,所以研究结果能应用到普通虫洞上的可能并不大

 

##

经历了从物理出发到数学推导,再重新回到物理研究的过程,一路上我们对虫洞建立了太深的印象,好像它真的就挂在天上。我们曾经无数次通过数学计算找到了相应的物理现象,就像电磁波的提出、泊松亮斑的发现,当看到观测结果和理论预测完美吻合时,我也深深感受到了科学的魅力。只是对于虫洞来说,宏观虫洞的存在不可避免地指向了极其神秘的奇异物质,这些物质本身的性质、对虫洞的影响我们都无从得知,所以之后的推测也难以让人信服。

 

理论的突破和实验的证明是科学研究的左右手,也是我很喜欢的一种理性的美学,只是这一次,我们可能要接受科学另一种残缺的美了。

 

来源参考

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

    https://www.space.com/20881-wormholes.html

    https://www.zhihu.com/question/50795273


来源:牛油果进化论

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