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黑洞研究 穿越恐惧

 

  

  “地球迟早要毁灭,而人类继续生存的唯一机会是移居外太空。”这是英国著名物理学家斯蒂芬·霍金对人类未来的观点。他认为,如果能在未来两百年里避开灾难的侵袭,人类应该就安全了,那时我们可以移居到太空。但在这两百年里,人类面临的危机次数可能超过以往任何时候。也许,无论在地面如何努力,人类的未来仍然是太空。

  ⊙记者 朱贤佳

  为了生存,必须“超远距离”移民,黑洞、虫洞等概念成为最新科幻大片《星际穿越》中实现外太空移民的关键点。

  导演诺兰邀请理论物理巨匠基普·索恩对黑洞进行了设计,并试图将黑洞与虫洞之间的联系搬上荧幕。

  普通的黑洞都不旋转也没有电荷,一旦黑洞旋转或带电荷,事情就会变得复杂。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作虫洞。“虫洞”也可能是连接黑洞和白洞的时空隧道,所以也叫“灰道”。早在20世纪50年代,美国物理学家惠勒正式提出这一概念。

  在电影中,黑洞周围出现了超强的时空扭曲现象。对于靠近黑洞的人,其拥有自身的时间存在,影片中降落在黑洞附近行星上的宇航员与轨道上的宇航员具有不一样的时间,这也是黑洞周围时空的特点之一。

  根据影片描述,在三维时空里,“虫洞”是球状的,因此可以从任何角度进入,它是连接宇宙遥远区域间的时空细管,暗物质维持着“虫洞”出口的敞开。举一个简单的例子:可以将一张纸条视作通常的空间,那么从位于纸条一端的一点到位于另一端的一点需要跨过一段距离,然而如果我们把纸条两端接在一起,那么两点间的距离就很短了。虫洞就类似这种“接起来”的两端。利用“虫洞”进行星际穿越可以解决“时间”的问题。

  由于宇宙空间极度浩渺,恒星之间的距离以光年计算,因此我们就需要利用时空的特点进行旅行,否则星际旅行没有任何可操作性。根据目前的虫洞理论,如果要维持虫洞的开发,就需要大量的奇异物质,目前人类几乎对此一无所知。但对于黑洞的探索,人类从未“温和”过。

  虫洞就在我们周围?

  “时间就像是一条河流,在不同的地段会有不同的流速,而这正是实现通往未来之旅的关键。比整个银河系还要重的超大黑洞可以更明显地降低时间流逝的速度。”这是物理大师霍金的描述。

  根据物理学假设,这种超大黑洞就像是一部天然的时光机。如果一艘宇宙飞船进入超大黑洞,在超大黑洞内执行5年任务,返回地球时会发现已过去了10年。

  目前,美国科学家已经观测到一些黑洞的奥秘。宇宙中最明亮的光线经常来自宇宙最深处——黑洞,黑洞就如同宇宙中的“发电站”。在黑洞中即使是光也无法逃脱引力束缚,黑洞仅能通过其他物质受到牵引力才可探测到其存在。虽然黑洞自身是人类肉眼所看不见的,但其周围区域受强大的磁场和引力作用,人类可观测到黑洞作用下所释放的发光放射物质。

  时光机是穿越时空的一种手段。为了实现时空穿越,必须理解我们平时不太接触的“第四维”概念。一切物体都有长宽高,这就是平时所谓的三维形式。物理学中最基本的概念解释说:除了三维,还有一种长度——时间的长度,这就是第四维。

  要想搞明白这一点,我们假想自己在开车。开车沿直线行驶,是在一维中旅行。向左转或是向右转,则是二维旅行。驱车上下山路意味着又多增加了高度,所以是在三维空间内。那么我们怎样才能实现时间旅行?怎样才能发现穿越第四维的通道呢?霍金指出,虫洞就是穿越第四维通道关键。

  霍金好友、同为重量级的物理大师基普·索恩为《星际旅行》中的虫洞提供了理论支持,影片中频频出现在黑板上的物理学公式都是出自其亲笔。

  男主人公前NASA宇航员库珀和他的队友,利用土星轨道附近的一个“虫洞”进入另一个行星系统。这种超现实的穿越途径必须通过“虫洞”才能完成。“虫洞”弯曲了空间,让超远距离旅行可以在瞬间完成。在进入虫洞的时候,周围五颜六色让其看起来像是个色彩斑斓的迪斯科灯。

  根据理论推演,“虫洞”可以把平行宇宙和婴儿宇宙连接起来,并提供时间旅行的可能性。

  “虫洞”实际上是个很早就诞生的概念。1916年爱因斯坦场方程的解中就有了“虫洞”理论的雏形,此后一直到20世纪50年代,美国物理学家惠勒系统了提出了这一概念。“虫洞”对时空旅行的意义巨大,因为假设我们有个“虫洞”,那么星际探索就完全不是停留在目前的阶段了。

  霍金认为,虫洞就在我们周围,只是小到肉眼无法看见。宇宙万物都会出现小孔或裂缝,这种基本规律同样适用于时间。时间也有细微的裂缝和空隙,比分子、原子还要小的空隙被称作“量子泡沫”,而虫洞就存在于“量子泡沫”中。有朝一日,人类也许能够捕获某一个虫洞,将它放大到足以使人类甚至宇宙飞船从中穿过。

  另外值得一提的是,库珀驾驶的宇宙飞船起码是目前人类历史上速度最快的载人飞船“阿波罗”10号的2000倍,才能实践基普·索恩的虫洞穿越。在太空飞行数年后飞船将到达其最高速度——相当于光速的99%。这一速度将真正实现“天上一天人间一年”的神话,乘客也就能通过时间的相对性“飞向未来”。

  尽管这是一部科幻片,但基普·索恩、霍金都对时间旅行深信不疑,对通向未来的时间旅行更是如此。

  黑洞的是与非

  物理学界有个疑虑始终存在,用上述方式进行时光旅行的问题在于,接近超大黑洞的危险太大。但人类正试图了解黑洞,并消除这种恐惧。

  2005年3月18日报道,美国布朗大学物理教授霍拉蒂·纳斯塔西通过实验在地球上制造出了第一个人造黑洞。

  然而“纳斯塔西黑洞”并不是黑的,而是明亮的火球。然而这些明亮的火球却具备了黑洞的显著特性:火球可以将周围10倍于自身质量的粒子吸收,这比所有量力物理学所推测的火球可吸收的粒子数目还要多。纳斯塔西介绍说,“布鲁克海文国家实验室里的相对重离子对撞机,可以以接近光速的速度把大型原子的核子(如金原子核子)相互碰撞,产生相当于太阳表面温度3亿倍的热能。”

  黑洞研究时时伴随着恐惧。

  在欧洲,有人担心建于欧洲日内瓦的世界最大“大型强子对撞机”会制造出黑洞吞噬地球生物,其威力是目前最强核武器的上百万倍。系统第一负责人是英国著名物理学家林恩·埃文斯,大型强子对撞机最早就是由他设想出来并主导制造的。其运作原理是:假设在大型强子对撞机内的质子相撞产生粒子的过程中,形成了微小黑洞,每个质子拥有的能量可跟一只飞行中的蚊子相当。天文学上的黑洞比大型强子对撞机能产生的任何东西的质量更重。一些纯理论预言大型强子对撞机能产生这种粒子产品。所有这些理论都预测大型强子对撞机产生的此类粒子会立刻分解。因此它产生的黑洞将没时间浓缩物质,产生肉眼可见的结果。

  尽管林恩·埃文斯一再解释这不会对地球造成威胁,但大型强子对撞机就相当于一个“人造黑洞”制造机器。学界认为大型对撞机对理论物理的研究绝不仅限于恐惧,借助大型对撞机物理学家还发现了“上帝粒子”。2013年诺贝尔物理学奖授予希格斯和弗朗索瓦·恩格勒,以表彰他们对希格斯玻色子(又称“上帝粒子”)所做的预测。日本也在加紧推进新一代加速器“国际直线对撞机(ILC)”计划。去年8月份,日本科学家在东京召开记者会,宣布确定岩手、宫城两县的北上山地作为建设候选地。

  就如同“黑洞”并非只有黑暗的一面。中国东南大学的科学家崔铁军和程强将纳瑞马诺维和基尔迪谢维的理论应用为实践,建造了一个微波频率的“人造黑洞”。该设备采用一种“超级材料”构造成60个同轴环,据悉,超级材料曾被用于制造隐身斗篷。

  据程强介绍,存在于东南大学毫米波国家重点实验室的“人造黑洞”。这是一个不具有危险性的“黑洞”,不仅如此,这种装置还能在未来用于收集太阳能。在这方面,“人造黑洞”将比世界上任何一种太阳能电池板都更高效。一些物理爱好者甚至为这种全新的装置设计了一些新功能,比如将它装置在航天器中的太阳帆上,或者用来吸收空气中游散的电磁波。光学人造黑洞则能够完全将这些光线吸收,并直接转化吸收在同轴环上的太阳能电池。如果这种设备能够有效地工作,那么以后将不再需要采用抛物线反射镜收集太阳光线。

  事实上,科学家从未温和地走进黑洞,尽管面临各种威胁论,但仍以“咆哮”的姿态,试图揭开宇宙的奥秘,为人类开拓在外太空生存的可能性。

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来自:仙居阁325  > 科学探索
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