最新的虫洞研究也许可以给我们一定的启示:人类可以躲在虫洞里,等战争结束了再出来。

文章作者:管理一号 | 2019-04-20
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来历:举世科学

假设外星人之间发作星际战役,而地球人打不过外星人,那么地球人应该怎样办?最新的虫洞研讨或许能够给咱们必定的启示:人类能够躲在虫洞里,等战役完毕了再出来。

曾经提到虫洞,大都与星际游览这个论题有关。由于国际太大,而人类的飞翔器速度太慢,咱们的寿数也很短,所以要跨过悠远的星际空间几乎是不行能完结的使命。比方间隔太阳最近的恒星坐落半人马座,与咱们大约相隔4光年,就算以光速的百分之一飞翔,也要需求400年时刻才干抵达这儿;而太阳间隔银河系中心则是26 000光年,所以在其时的技术水平下,前往银河系中心几乎是一个遥不行及的愿望。最近人类拍摄到的第一张黑洞相片,则坐落间隔太阳系5500万光年的悠远星空,人类的肉身怎样能够穿越这悠远的星斗大海?

所以,咱们总是说,想要穿越悠远的星际空间,只能依托虫洞。可是,最新的虫洞研讨通知咱们,经过虫洞完成星际游览或许并不是最佳挑选。

可穿越虫洞:关键是负质量

要了解最新的虫洞研讨,需求先看看虫洞研讨的前史。

1935年,爱因斯坦与罗森在研讨广义相对论的时分发现了“爱因斯坦与罗森桥”,这是一种不行穿越的虫洞——所谓“不行穿越”,便是不能在有限的时刻内经过这个虫洞,所以这种虫洞在实际中并没有实际意义。

这种为难的局势一向继续了整整50年才有所改动。1985年,美国康奈尔大学的天文学家与科学作家卡尔·萨根(Carl Edward Sagan)写了一本科幻小说《触摸》(Contact)。这部小说描绘了人类经过虫洞穿越到了距地球 26 光年的织女星邻近,然后与外星文明触摸,最终顺畅回来地球。

 

这部小说能够当作是人类第一次提出了“可穿越虫洞”的概念——所谓“可穿越虫洞”,意思便是说人类能够在有限的时刻内穿越虫洞并回来。

在写这部小说的过程中,卡尔·萨根一开端也对这个范畴也没有太多研讨,他过错地把虫洞写成了黑洞。但他请教了他的一位老朋友——加州理工学院的物理学家基普·索恩(Kip Thorne)教授,后者主张他把黑洞换成虫洞来作为星际游览的东西。

在和卡尔·萨根沟通时,索恩知道黑洞不能用于星际游览,所以他想到了他的导师约翰·惠勒(John Wheeler)在十几年前提出的“虫洞”概念。

但惠勒的虫洞概念也仅仅是一个概念,没有任何物理核算细节。所以索恩与他的学生迈克·莫里斯(Mike Morris)一同,开端用正统的广义相对论常识对虫洞物理学翻开研讨,并在两年后发布了研讨论文。这篇论文宣布在《美国物理杂志》(American Journal of Physics)上,标题是“时空中的虫洞及它们在星际游览中的使用:教学广义相对论的东西”(Wormhole in spacetime and their use for interstellar travel: A tool for teaching general relativity)。

 

这张图片来自索恩的虫洞论文,直线标明虫洞的一个进口在时空中的轨道(国际限),曲线是虫洞的出口在时空中的轨道。国际限上的阿拉伯数字标明出口与进口当地的时刻。

虫洞是衔接出口与进口的一个地道,在索恩的虫洞模型中,虫洞很短,穿越这个虫洞所需求的时刻能够近似为零。在这种状况下,当一个人从虫洞的进口进入,再从虫洞的出口出来,随后他在沿着虫洞回来进口,他有或许穿越到自己的曩昔,这将引起祖父悖论。

索恩与他的学生在论文中提出的观念大致是这样的:爱因斯坦的引力场方程的左面是空间曲率,而右边是能量动量张量。对爱因斯坦引力方程的剖析标明,要想发生可穿越的虫洞,引起这种时空曲折的物质所对应的能量动量张量有必要违背均匀类光能量条件。也便是说,想要制造出一个人类能够往复穿越的虫洞,有必要耗费巨大的负质量物质来撑住这个地道——不然这个地道很简略“塌方”。依据爱因斯坦的狭义相对论,质量与能量是等价的,所以负质量意味着负能量——但国际中底子就不存在大规模的负能量,所以要想翻开可穿越的虫洞似乎是不行能的。

依据广义相对论,违背均匀类光能量条件是一切可穿越虫洞的先决条件。换句话说,假设要想穿越虫洞,相当于要求经过虫洞的类光测地线(也便是以光速运动的粒子)不能在虫洞里会聚,而这需求用到印度的一位闻名物理学家瑞查德符里(Amal Kumar Raychaudhuri)提出的方程。经过瑞查德符里的方程能够看出,在虫洞中,光线只要在物质场的能量动量张量违背均匀类光能量条件下才不会撞上奇点——在这种状况下,聚集在虫洞一端的光线在脱离虫洞的另一端时会散开,这样才干够顺畅从虫洞中逃出来。

可是,这个国际上不存在违背均匀类光能量条件的物质。因而,在这个意义上,虫洞就算能由于量子效应瞬间发生,也往往会自毁。正由于虫洞天生就喜爱自我坍塌,所以到了后来,索恩也感觉到虫洞很难完成,乃至不行能存在,所以他说“虫洞需求有高档文明有意识的去发明和保持。”随后,索恩就去研讨引力波了。

新虫洞研讨:不行穿越的虫洞等价于量子羁绊

最近几十年来,索恩把爱好点从虫洞研讨搬运到了引力波勘探,并且在2017年由于人类初次勘探到引力波获得了诺贝尔物理学奖。

但虫洞的研讨并没有中止。并且,虫洞研讨的基本思想在近10年现已发作了很大的改动。

虫洞研讨的新思想来历能够归纳为一个物理公式,那便是由普林斯顿高级研讨院的胡安·马尔达西那(Juan Maldacena)和斯坦福大学的伦纳德·萨斯坎德(Leonard Susskind)在2013年提出的“ER = EPR”。这个公式第一次把虫洞与量子羁绊联络在了一同。

ER 的全称为 Einstein-Rosen(爱因斯坦-罗森)桥,这在本文一开端咱们现已提到过。这是爱因斯坦和纳森·罗森(Nathan Rosen)在研讨广义相对论方程时提出的一种不行穿越的虫洞。

而 EPR 则是 Einstein-Podolsky-Rosen(爱因斯坦-波多尔斯基-罗森)这三位科学家的名字的首字母缩写。波多尔斯基(Boris Podolsky)是一名俄籍美国物理学家。EPR 在物理中描绘的是一对彼此羁绊的粒子。

原本,ER与这 EPR两个概念风马牛不相干,由于爱因斯坦-罗森桥是描绘大标准微观现象的广义相对论的产品,而 EPR 对则是对微观国际的量子羁绊行为的描绘,并且量子羁绊在大标准上很简略由于退相干而消失。

但到了2013年,曾因提出ADS/CFT对偶理论而名声大噪的马尔达西那与萨斯坎德抛出了重磅炸弹“ER = EPR”。假设把黑洞视为量子体系而不是经典物体,那么就或许呈现由两个高度羁绊的黑洞组成的体系。对这种羁绊态进行细心研讨,就会发现这种羁绊态对应的时空能够当作一个不行穿越的虫洞衔接了两个黑洞,这便是“ER = EPR”的真实意义。

绘图:Malcolm Godwin

值得注意的是,ER与EPR 这两篇论文的作者里,都有爱因斯坦和罗森,并且都是在1935年宣布的,前后相差2个月。愈加令人惊奇的是,80年后,马尔达西那与萨斯坎德发现,这两篇文章本质上说的是同一件工作。他们估测,任何一对羁绊量子体系都是由爱因斯坦-罗森桥(不行穿越虫洞)衔接的。

在ER=EPR的基础上,哈佛大学的丹尼尔·贾弗里斯(Daniel Jafferis)与高苹,以及来自斯坦福大学的阿伦·沃尔(Aron Wall)开端了新虫洞研讨。高苹是一位年青的我国科学家,他从清华大学物理系结业后,就去了哈佛大学物理系攻读博士学位。

贾弗里斯、高苹以及沃尔提出的虫洞计划与索恩的不同,前者的新虫洞不适合长间隔的星际游览,由于他们所描写的虫洞衔接的是两个间隔很近的黑洞。并且,“穿过这些虫洞比直接游览更慢”。他们对长间隔的星际游览持失望情绪。

新虫洞是怎样发生的?

但有一点是能够必定的,那就想要翻开可穿越的虫洞,有必要有很多的负质量。问题的关键在于,负质量物质从什么地方来。

负质量在经典物理学的意义上是不行能呈现的,可是,量子力学却能够发生负质量。最闻名的比方是卡西米尔效应——比方两块平行金属板之间的电磁真空状况,理论与试验成果都标明,金属板之间的真空态具有负能量,这被称为卡西米尔能量。这种负能量能够被视为负质量。因而,卡西米尔效应阐明,量子力学能够完成负质量,并有助于发明一个可穿越的虫洞。正如前文描绘的那样,可穿越虫洞的技术细节是要得到一个违背均匀类光能量条件的能量动量张量,换句话说,可穿越虫洞的保持要求具有负的均匀类光能量的物质场(由于依据爱因斯坦的广义相对论,物质场引起时空的曲折)。

 

三年前,贾弗里斯、高苹与沃尔研讨了两个永久的BTZ黑洞鸿沟的彼此效果之后,他们发现了在这儿能够发生一个具有负均匀类光能量的量子物质能量动量张量,这个状况等价于呈现了负质量,所以其反引力效果能够使爱因斯坦-罗森桥牵强可穿越(BTZ黑洞是一种反德西特时空中的二维黑洞,但他们的定论对三维空间中的黑洞相同建立)。这时,虫洞便是可穿越的,假设一个人跳进一个黑洞,他能够从另一个黑洞逃脱。

高苹在承受采访时说,“量子羁绊等价于不行穿越的虫洞,但加上负质量物质后,这个虫洞就变得可穿越了。所以两个黑洞实际上在视界之后是衔接起来的。假设一个人跳进第一个黑洞的时分速度足够快,那么它实际上很挨近第二个黑洞的视界,尽管这个人还在黑洞里边。然后,咱们用量子的彼此效果发生负能量的物质,当这个负能量的物质进入黑洞的时分,在黑洞里的人一旦碰到负能量物质,他就能够被推出来。”

高苹着重,尽管这两个黑洞在空间上的间隔很近,但实际上衔接它们的虫洞十分长。

新虫洞不会“超光速”,但能够逃避星际战役

在传统的虫洞研讨中,一个中心的问题在于,假设一个人穿越虫洞的时刻太短,而在空间上移动很大的间隔。比方在1秒钟内从地球穿越到了银河系中心,那么这在外部国际看来便是超光速的运动。这种穿越行为必定会违背相对论的因果性,最终发生悖论。

1988年,索恩证明了假设虫洞很短,那么人就经过虫洞回到曩昔。这是一个十分风趣的成果,但这会引发悖论。由于假设经过虫洞的时刻很短,那么依据简略的狭义相对论就能够证明使用虫洞就能够做出时刻机器回到曩昔,但这个时分会发生因果性的问题,比方一个人能够回到曩昔杀了祖父,这样就会发生“祖父悖论”。

“祖父悖论”说的是,假设一个叫小王的人能够回到曩昔,那么他就能够杀死自己的爷爷,其时他爷爷还仅仅一个儿童,没有成婚生子,所以小王的父亲就不会出世,因而小王没有父亲,小王也不能出世,那他又是怎样回到曩昔杀死自己的爷爷的呢?因而这是一个悖论。这个悖论阐明,回到曩昔是不行能的。

因而,从祖父悖论这种逻辑推理能够看出,可穿越的虫洞就算存在,也必定要防止发生祖父悖论这样的因果性疑问。

贾弗里斯、高苹和阿伦·沃尔的理论是经过一些量子效应,使得不行穿越的虫洞变得能够穿越,但他们的新虫洞并没有损坏因果性,由于在他们的模型中,虫洞十分长,在虫洞里游览需求花费很长的时刻——由于在虫洞中穿行的时刻比在虫洞外更长,所以这不会引起祖父悖论。

高苹在承受采访时标明,“两个黑洞能够由虫洞衔接,这两个黑洞之间的间隔很近,一起它们之间存在很强的量子羁绊。咱们的研讨标明,衔接这两个黑洞的虫洞十分长,人类在这个虫洞中游览需求花费很长的时刻,所以在虫洞中逃避星际战役是或许的。”

因而,新虫洞并不是做星际游览的最佳挑选,相反,新虫洞能够被当作是一个世外桃源,是一个能够长时刻呆在里边逃避外部星际战役的桃花岛。

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