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《星际穿越》虫洞是真的吗

2014-11-12

《星际穿越》虫洞是真的吗

    唐云江

    新闻背景 

    著名导演克里斯托弗·诺兰执导的又一部科幻大片《星际穿越》,今天在全国上映。影片描绘了这样的情景:气候变化使地球面临巨大危机,人类很可能就此灭绝,仅剩的几位科学家和宇航员必须利用他们对“虫洞”的新发现,进行超越时空界限的星际穿越,找到宇宙中其他适合人类居住的星球,从而拯救人类。

    萨根科幻小说带火了虫洞

    按照一般常识(经典物理学),别说星际空间,就连离我们最近的恒星也有4.2光年之遥。要想去到那里,就算乘坐接近光速的火箭(光速不可超越)也要至少4.2年,别说去上亿光年远的其他星球了。好在科学还为我们展示了其他可能进行星际旅行的方法,《星际穿越》中的科学家们,就利用虫洞穿行于星际空间。

    虫洞被用于幻想的时间旅行,是美国加州理工学院物理学家基普·索恩首先提出来的。1985年,天文学家卡尔·萨根写了一本科幻小说叫《接触》(又译为《接触未来》),其中涉及到人类通过黑洞(也是一种由广义相对论推论出的时空结构)与外星球文明进行超时空接触,对书中涉及到的物理原理是否正确他没有把握,就请好友索恩帮忙看看。索恩是研究相对论的专家,他被小说的情节所吸引,不过他认为利用黑洞进行时间旅行是不合理的。这时他想到了虫洞,建议萨根把黑洞改为虫洞。

    虫洞是一种超空间结构,是宇宙中相距遥远的两点间的一条假想的捷径。1个虫洞有两个洞口,比如一个在地球附近,另一个在26光年远的织女星附近,这个虫洞可能只有1公里长。假如我们从地球附近的洞口进入这个“隧道”,只经过1公里,瞬间就能从另一个洞口出来到达织女星近旁。

    卡尔·萨根愉快地接受了索恩的建议,让阿洛维(小说中的人物)通过虫洞在地球和织女星之间往返,虫洞从此频频出现在科幻作品中。正是因为萨根的请教,索恩开始正式把虫洞作为研究对象,他要解决虫洞在什么情况下能够打开(换句话说,怎样才可以作为时间旅行的工具)。1988年,索恩和他的学生莫里斯在《美国物理学杂志》上发表了他们的研究结果,从理论上证明有可能存在着“可以被穿行的虫洞”;打开虫洞需要有一种“具有负能量的奇异物”;同时还论证了借助这种虫洞实现回到过去的时间旅行的可能性。从此之后,时间旅行不再只是幻想,而成为科学研究的对象。

    虫洞是广义相对论方程的一个解

    虫洞看上去很玄,其实本身并不是科学幻想的结果,它是通过科学理论的计算得出的结论。

    爱因斯坦1916年创建了广义相对论,从引力场方程的解中就可以发现虫洞这种特殊的时空结构。广义相对论的引力场方程是一个张量方程,把空间的能量和质量分步代入方程就可解出空间的结构和特性。

    在广义相对论看来,时空因质量(物质)或能量的存在而变得弯曲,质量越大,弯曲得就越厉害,因而在一些地方会出现所谓的“奇点”。在奇点的地方就可能生成黑洞、白洞或者虫洞,虫洞是一种时空隧道,可以把空间中的两点之间连接起来。比如虫洞可以把黑洞和白洞连接起来,也可以把不同的宇宙连接起来。爱因斯坦和他的合作者纳森·罗森在1935年从理论上论证了虫洞的存在,他们当时把这种理论上有可能存在的天体,比喻为连接时空两点之间的“桥梁”(称为爱因斯坦-罗森桥)。

    到20世纪50年代,约翰·惠勒和他的小组用不同的数学方法对此进行了广泛的研究,他把这种特殊的空间隧道形象地称为“虫洞”。我们经常可以看到这样的比喻,如果把三维空间比作一个二维的苹果的表面,从苹果的一侧走到另外一侧需要绕过半个苹果的周长;但假如有一只虫子在这个苹果上咬个洞,它就可以通过更短的路径到达苹果的另一侧。这个空间两点间的捷径,就是虫洞。

    找到奇异物质才能“芝麻开门”

    早期的研究表明,虽然理论上来看虫洞是可以存在的,也能作为便捷的空间通道,但是一般的虫洞存在时间极短,瞬间打开并随时关闭,不可能作为超时空旅行的通道。索恩建议萨根使用虫洞作为空间旅行的方案之后,对虫洞理论又进行了详细的研究。他想知道在什么情况下虫洞才能打开,并能长时间存在,大概也是想为萨根的科学幻想找到理论根据,否则的话在科学上就是站不住脚的。

    理论根据当然还是爱因斯坦的引力场方程,如果假设要虫洞能够长时间打开,从方程的解反推回去,就必须有一种具有负能量的奇异物。只要有足够多的这样的物质,打开虫洞在理论上就没有问题。所以索恩建议萨根在小说中使用虫洞的概念时,还要假设有人能够找到这种奇异的物质。如不这样,有可能存在的虫洞是“无法穿过”的。理论计算表明,那种虫洞会瞬时坍缩而变形为黑洞。黑洞与虫洞不同,一旦进入其中就再也无法从里面出来。

    奇异物质是一种非常奇特的物质,它具有负能量,能够起到反抗引力向外撑大空间的作用(斥力)。不过,我们现在既不知道宇宙中是否真的存在着这种奇异的物质,也不知道是否有可能人工制造出足够数量的这种物质来维持一条虫洞使之不至坍缩。

    索恩博士提出,最有可能存在虫洞的地方,应该是在比原子核尺度还要小得多的微观世界。他认为,在这样的微观世界,因为量子涨落,应该会有大小为10-35米的虫洞在极短的时间里不断地生成和消失。这是将量子力学与广义相对论结合起来用于微观世界而导出的一个结论。另外,用经典的方法也可以产生虫洞,就是要设法使空间极度扭曲。

    索恩博士设想,如果有一种科学技术远比我们的文明发达得多的文明能够用某种方法将一条微观虫洞扩大到人体的大小,并将奇异物质注入其中维持它不坍缩的话,那么,这种虫洞也许就有可能让物体从中穿过。

    延伸阅读 

    时间旅行能“穿越”到过去?

    如果真的能够制造出虫洞,索恩认为,不但可以用它作为超时空的通道,穿过它可以到达遥远的星际空间,还可以用来作为时间机器去实现人们幻想的时间旅行。这也是索恩备受争议的一个观点。

    他假定在地球的近旁有一个虫洞的两个出入口A和B。设法以接近光速的速度(亚光速)将出入口A移动到远处,再使它回到地球近旁。根据相对论,以亚光速运动一个来回,同静止状态相比,时间流动变慢了。所以,回到地球近旁的出入口A的时刻要早于出入口B和地球的时刻。另一方面,透过虫洞观察,B和A是由虫洞连在一起的。从“内部”看,在A来回运动期间A和B的相对速度(从一方看另一方的速度)为零(即相互静止),根据相对论,这里没有时间流动变慢的效应。换句话说,粘合在A的“内部”的B与A处在同样的时刻,这样从A口入从B口出就回到了过去。

    不过,用这种方法最早只能回到先前制作时间机器的那个时间点,不可能回到更早的过去。当然,如果在很早的古代就有一个超文明制造出了一个利用虫洞的时间机器,并留存至今的话,那另当别论。否则,我们无论如何都无法通过时间旅行回到明朝或者恐龙时代。

    此外,自然界是否真的“允许”我们进行回到过去的时间旅行呢?这也是一个问题。比如说,一个人通过时间旅行回到过去,因为某种原因杀死了自己的祖父,那么,那个人就根本不会生下来。这就是矛盾。应该如何解决这个矛盾,物理学家中有各种各样的观点。索恩就多次同史蒂芬·霍金讨论虫洞和时间机器合理性问题。对于索恩的分析,霍金大部分表示赞同,但霍金认为“自然界禁止回到过去的时间旅行”,他提出了一种“时间顺序保护假说”。

    索恩说:“‘时间顺序保护假说’并没有被确实证明。我想霍金博士也是同意我的这种说法的。虽然我们两人都对实现回到过去的时间旅行持悲观态度,但是我倒是希望我的看法是错误的。”

    不过索恩强调,目前的结果并不是定论,要等新的理论——量子引力理论创立后才能进行更确定的分析。

    由于索恩对虫洞和时间旅行进行过深入的研究,因而应邀参与了《星际穿越》剧本的创作,这必定会为剧情增加科学的依据。

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来自:海潮轩  > 科学 发明
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