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我要去其他维度造虫洞了
最近物理学家发现,若我们宇宙有多余的维度,我们将有可能制造一个可穿梭的虫洞。等等,你会问什么是虫洞?简单来说,虫洞是一座连接两个不同时空的桥。从虫洞的一端走到另一端意味着我们实现了时空穿越。如果还是很抽象的话,大家看看下图。
怎么制作虫洞呢?我们需要用桥梁或者隧道将宇宙的不同部分粘合在一起。这种桥梁又名“喉咙”。这个喉咙的大小和长度可以随心所欲地增长,但通常情况下,我们希望它比到目的地的正常距离短。在爱因斯坦的广义相对论中,制作虫洞非常简单:我们只需建造一个黑洞并将其连接到一个白洞,然后boom,你就有了一条可穿梭的的时空隧道。
偏离一下话题,我们简短介绍下什么是黑洞和白洞。根据爱因斯坦的广义相对论,黑洞是宇宙空间中一种密度极大的天体和星体。由于其密度巨大,它所产生的引力场也就非常强,以至于大量可测的物质和辐射都无法逃逸。它之所以被称为黑洞是因为就连光也逃不出黑洞的手掌心。所以说黑洞不是黑,而是因为射进黑洞的光被巨大的引力束缚住了,没有办法反射回我们的眼睛。相比于黑洞,白洞还只是一个理论模型。与黑洞相同,白洞的引力场同样十分强大。但是白洞无法吸收任何外部的物质,只能够向外辐射物质和能量。非常肤浅地说,如果黑洞可以吸收一切物质和能量,那么白洞就是发射物质和能量的源头。那我们再来看上图,非常粗略地理解,宇宙飞船被吸入黑洞,然后从白洞内发射出,从而实现穿梭时空。
M87核心的超大质量黑洞(SMBH) | EHT Collaboration
虫洞模型看似很完美,但是它非常不稳定。一旦虫洞形成,它巨大的引力场将会瞬间把其撕裂。这样一来,还没开始穿越,虫洞就先告辞了。
那我们怎么稳定虫洞呢?目前唯一已知的方法是使用某种形式的奇异物质(exotic matter)。奇异物质可以是质量为负的物质。这种物质在宇宙中似乎不存在,或者说其违反了广义相对论中的能量条件。简单地说,能量条件就是平均而言每个人都应该体验到正值的能量。然而,为了稳定虫洞,旅行者必须经历一个负能量区域。这种负能量将平衡旅行者质量的正能量。当旅行者通过虫洞时,负能量将使虫洞持续打开。
的确,有些物理场景有时会违背某些能量条件。但是,物理学家目前还不清楚有没有所有的能量条件在长时间内都被违背的例子。若是找到这样一个场景,那我们就有希望建造虫洞。
我们的世界是一层膜吗?
引力非常微弱,它比任何其他的自然力量弱数十亿倍。这一事实困扰又吸引着许多物理学家,毕竟当某物与宇宙其他部分如此不同时,这意味着这背后蕴含着有趣的物理解释。
目前,我们还没有办法解释为什么引力如此微弱。理论物理学家认为,宇宙远不止眼前所见。在弦论中,许多额外空间维度都裹挟在自身上并被压缩到亚微观尺度。受这一概念的启发,一些理论物理学家提出在我们的现实中,除了通常的三个空间维度之外,还有其他空间维度。
这意味着,三维(我们的世界)只不过是一层存在于更高维度“体”的薄膜。这些额外的维度不一定很大。如果它们很大的话,我们会注意到粒子或行星在额外维度中出现和消失。但额外的维度可能比弦理论的微小维度更大:粒子甚至可能大到一毫米。
膜 | https://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%86%9C_(%E7%89%A9%E7%90%86%E5%AD%B8)
在这种较小的维度下,自然界的所有力和粒子都被限制在三维膜中,唯一拥有特权穿过高维体的就是引力。因此,引力可能和其他所有力一样强,但由于它被额外的维度严重稀释,以至于它在三维中看上去很弱。
畅想虫洞
因为这些基于膜的想法是试图理解引力,它们为探索虫洞的本质开辟了新的机会。我们对虫洞的了解受广义相对论支配,但也许额外维度的存在会改变广义相对论的运作方式,从而使虫洞成为可能。这是一支印度研究小组在一篇最新论文(https://arxiv.org/abs/2105.11785)中提出的观点。
在他们的论文中,物理学家探讨了是否有可能在由物理学家 Lisa Randall 和 Raman Sundrum 于 1999 年首次提出的“膜世界”模型中建造虫洞。
新论文的作者发现,他们确实可以在这种基于膜的引力模型中建立一个稳定的、可穿越的虫洞。更重要的是,他们不需要任何异常物质就能成功。
尽管团队确实发现这种情况仍然违反了广义相对论的能量条件,但他们认为这种违反是一个必然特征,而不是意外漏洞。他们认为,在额外空间维度中,引力会自然地违背能量条件。(这也意味着,我们根本不需要异常物质来建虫洞。)一旦这些条件被打破,虫洞自然而然就会形成。
研究人员甚至提出,如果我们直接观察或创造一个虫洞,这可能表明宇宙的空间维度比通常所认为的三个维度要多。
与所有关于虫洞话题的理论工作一样,这不是最终结论。没有人知道 Randall-Sundrum 理论或任何其他基于膜和额外维度的理论是否正确。目前,也还没有人总结出量子引力理论。这是一种小尺度的强引力理论。一旦发现此理论,或许会彻底否认虫洞存在的可能性。
无论如何,研究人员所发现的结果仍然很有趣且有重大意义。科研工作者通过他们的努力,正一步一步向我们揭示引力的秘密。这些颠覆性的想象力和深远的思考本身就令人着迷。虫洞可能存在,也有可能不存在。不管怎样,试图了解虫洞,肯定会强化我们对宇宙的理解。
如何解释虫洞
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