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虫洞之谜:虫洞的另一端有什么?

2017-06-09 09:05:21 | 人围观 | 发布:网友

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  “人类诞生在地球上。这从不意味着要灭亡于此。”

  在很久的未来,农作物无法种植使得地球不再适宜居住。而人类将不得不穿越星际,去深空之中寻找新的家园。

  作为爱因斯坦广义相对论一个推导结果,虫洞不仅给我们提供了穿越星际的便捷途径,而具还可能变成时间机器允许我们回到过去。

虫洞之谜:虫洞的另一端有什么?

  那么有没有便捷途径呢?爱因斯坦的广义相对论给了我们希望,其理论所预言的虫洞就是通往星际空间的便捷通道,而该片中的宇航员就是利用虫洞来实现星际穿越的。

  广义相对论是爱因斯坦研究时空与引力关系的理论,它革新了牛顿时代的静止时空观,认为时间和空间并不是静止不变的,而是可以变化和弯曲的。令爱因斯坦没想到的,相对论不仅引起了我们时空观的一场革命,而且预言了宇宙中一系列奇异事件或现象——宇宙大爆炸、时间旅行、暗能量、以及黑洞和虫洞。我们可以说,这些新发现是属于广义相对论的,属于爱因斯坦的。

  虫洞究竟是什么样子?

  1935年,爱因斯坦与他的好友、美籍以色列裔物理学家纳森·罗森,在研究引力场方程时发现,对于弯曲时空来说,在理论上可以有一个连接宇宙中两个遥远地点的捷径。这就像一座山的两端可以通过隧道进行连接一样。

  但宇宙中的虫洞可不像山底的隧道那么容易开凿,自从虫洞这个概念提出几十年来,顶尖的理论物理学家们对其的探讨仍然是纸上谈兵阶段,不像宇宙大爆炸、黑洞这样的现象已经被观测所证实。不过,随着思考的日益深人,关于虫洞的细节逐渐丰富起来。

  假设宇宙中有一个虫洞,它会是什么样子呢?其实非常简单。它有两个洞口,例如有一个在地球附近,另一个在约26光年远的织女星附近。两个洞口通过在高维空间中延仲的隧道相连。这个隧道可以非常短,例如只有1千米,所以如果我们通过虫洞从地球抵达织女星,我们就可把路途从26光年缩减为1千米。所以说,虫洞可以成为宇宙中的快捷通道。

  虽然虫洞可以缩短旅途的距离,但并不是超越了光速。例如,你通过虫洞从地球抵达织女星,很显然比穿过虫洞外的时空抵达的光线还要快,但是你在穿越虫洞时相对虫洞的速度是不能超过光速的。

  在现实的三维空问中,虫洞看起来并不像一个隧道或一座桥,因为你只能看到它的洞口,而它的隧道是在四维空问里延伸,你无法直接看到隧道的模样。其中,洞口看起来像一个巨大的玻璃球,如下图:

虫洞不是黑洞

  许多人都认为虫洞不过是另一种黑洞而已,但这种观点是错的。其中的一个区别是,黑洞都有一个事件视界(一种任何物质进去之后有去无回的边界),而并不是每个虫洞都具有事件视界。有一些虫洞具有事件视界,但并不是像黑洞那样是因为存在一个密度无穷大的奇点,而是因为虫洞的隧道内引力引起的潮汐力过于强大。虫洞和黑洞另一个区别是,虫洞有两个洞口并通过一个隧道相连,而黑洞只有一个洞口,洞口的尽头是一个死胡同,任何物质掉进黑洞都会最终撞上内部的奇点。

不止一种虫洞

  另外很重要的事实,是虫洞不只有一种。一种分类虫洞的方法是虫洞的隧道是否是基本稳定的,还是不稳定的(例如隧道不断地开启然后闭合)。第二种分类方式是,需要多少物质才能创造出生成虫洞的引力场,一种只需要行星质量的,而有一些需要好几倍恒星质量。另外,虫洞隧道的潮汐力的大小也是一种分类虫洞的办法。

  接下来的我们来阐述两种虫洞。一种是史瓦西虫洞,它是一种不稳定的虫洞。另一种是稳定的虫洞,它允许物质穿过它,所以也可以说是一种可穿行的虫洞。

不同的时空与史瓦西虫洞

  物理学家首先提出来的虫洞是史瓦西虫洞,它是广义相对论中爱因斯坦方程其中一个解的产物。

  在研究爱因斯坦方程的过程中,物理学家发现除了时空中存在黑洞以外,还必须存在白洞。而白洞正好是黑洞的时间反演,里面的任何物质都会向外运动,穿过它的边界(也称为事件视界)之后就再也无法回到内部。除了黑洞和白洞这两个时空区域,还得有另外两个彼此完全隔离的时空区域,称为两个不同的“宇宙”。这两个宇宙与黑洞和白洞的关系如下:白洞中的任何粒子和信号都可以进人这两个宇宙,但都无法返回到白洞里;两个宇宙中的任何粒子和信号都可以进入黑洞,但都无法在从黑洞中逃离,只能撞上黑洞内的奇点上;两个宇宙彼此完全隔离,也就是它们之间没有任何信息可以交流。所有四个区域可以由下左的时空图来表示。

  下面的时空图是在一种特殊坐标系下的时空图,图中的每一个点代表着一个二维球面。两条对角线代表事件视界,它们把时空分成了四个区域:I和IV分别代表两个彼此隔离的宇宙,II代表黑洞,III代表白洞。奇点出现在黑洞和白洞区域,以双曲线的形式表示。(你可能注意到了白洞内部也有个奇点,这个很好理解:许多物理学家认为宇宙大爆炸其实就是一个白洞,而奇点就是大爆炸之前的那个密度无穷大的点。)

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