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虫洞——穿越时空的桥梁

不知道大家是否有看过一部科幻电影《穿越(the beyond)》,电影讲述一个虫洞出现在地球上空的太空中,军方和航天局都发现了它,刚开始人们都觉得那是黑洞,试探着将一个探测器放入其中探测信息,探测器抵达并拍摄一系列照片,经过专家对黑洞边缘的事件视界分析发现,这不是一个黑洞而是一个虫洞,光从四周进来再从四周分散出去,这是利用虫洞这一理论作为题材的,尽管整部影片中没有给我们展示出太多的关于虫洞的理论设计,但这个剧本却也还算可以。

而在科幻影片中,如《降临》、《星际穿越》等科幻影片,提及很多天体物理学的相关知识,可以说是一部科普关于黑洞、虫洞及时空旅行的科普片。而在《星际穿越》中穿过黑洞边界飞船细节描述的真实感,那种从未体验过的穿过事件视界的感觉,在霍金的理论中显的晦涩难懂,正是这些科普色彩的科幻电影才将这些有趣的知识传播给更多的人,也带给了大家新奇的体验!

虫洞——穿越时空的桥梁

我们都知道,宇宙中,这三个神奇的存在,它们可能诞生于宇宙诞生之前,它们也是当今世界上神秘的存在,没有人真的能够了解它们,它们分别是——黑洞、白洞、虫洞。

而对于这三洞,我们最熟悉的地方,就是在科幻作品中常出现的“穿越”,特别是虫洞,往往被认为是构建时空隧道的通道,而最终通向何方,也不过是我们的猜测。

虫洞,最初产生于对史瓦西解的研究中。物理学家在分析白洞解的时候,通过一个阿尔伯特·爱因斯坦的思想实验,发现宇宙时空自身可以不是平坦的。如果恒星形成了黑洞,那么时空在史瓦西半径,也就是视界的地方与原来的时空垂直。在不平坦的宇宙时空中,这种结构就意味着黑洞视界内的部分会与宇宙的另一个部分相结合,然后在那里产生一个洞。这个洞可以是黑洞,也可以是白洞。而这个弯曲的视界,就叫做史瓦西喉,它就是一种特定的

当然,在很早之前,便有科学家猜测白洞与黑洞相撞会形成虫洞。虫洞连接黑洞和白洞,在黑洞与白洞之间传送物质。在这里,虫洞成为一个阿尔伯特·爱因斯坦—罗森桥,物质在黑洞的奇点处被完全瓦解为基本粒子,然后通过这个虫洞(即阿尔伯特·爱因斯坦—罗森桥)被传送到白洞并且被辐射出去。

虫洞——穿越时空的桥梁

通过时空结构的假想通道。虫洞可想像为通过时空的捷径,即连接两个黑洞或(更具猜想性)一个黑洞和一个白洞的宇宙地道。一个虫洞的‘另一端’可以在空间的任何地方,也可以是时间的任何一刻,使得经过虫洞的任何物体转瞬之间出现在宇宙的其他部分——不仅仅是另一个地点,也可以是另一个时刻。

特别是在广义相对论方程式描述虫洞的解时,在理论提出不久后,也就是1916年就找到了,不过那时没有做这样的说明。阿尔伯特·爱因斯坦本人于1930年代在普林斯顿与内森·罗森的合作研究,发现史瓦西解所代表的黑洞,实际上就是他们称之为两个平坦时空区之间的桥(现在叫做爱因斯坦—罗森桥)的东西。虽然这些方程式被当作数学精品进行了研究(特别是约翰·惠勒及其同事们的工作),但1985年前无人把它们视为宇宙的真实特性,因为数学上研究过的所有例子都只能打开短短一瞬,在任何东西,包括光,尚未来得及通过地道时就“砰”地一声重新关闭了。

虫洞——穿越时空的桥梁

自此,虫洞这一理论思想,便成为了科幻作家所喜爱的一个题材,但科学家一般认为必定有某条自然定律阻止了虫洞的存在。但是,当加州理工学院的相对沦学者们在1980年代试图证明这点时,却发现无法做到。广义相对论(这是我们现有最好的引力和时空理论,它通过了对它进行过的所有检验)中没有任何东西禁止虫洞的存在。不仅如此,基普·桑尼和他的同事们还发现爱因斯坦方程式甚至有允许存在长寿命虫洞的解。

这样一个虫洞的‘嘴巴’看起来应该像一个球形黑洞的视界,但有一点重要区别。视界是一个单向表面,没有东西能从它里面出来。但一个虫洞嘴巴的表面则允许双向交通。如果我们朝一个另一端在织女星附近的虫洞里面张望,我们将能看见织女星的光从通道里面出来——而织女星附近的观测者从另一端朝这同一个虫洞里面张望时,也将看见太阳的光。

但一个人类能通过它旅行的大虫洞仍然是极端困难的,而从一切实用目的来看也许是不可能的,不过,这在一些科幻作品中却是很常见的。但物理学家们着迷于也许存在普朗克长度规模天然虫洞的可能性。这种虫洞提供基本的泡沫状时空结构,由虫洞纤维编结出时空织物本身。

虫洞——穿越时空的桥梁

如果是这样,那就会有很多奇特的可能性。例如,这种细小的(超亚微观)虫洞可以连接宇宙中相距遥远的区域,使信息得以泄露,从而保证地球上的物理学定律与遥远类星体上的定律相同。或者一个小虫洞与我们的宇宙断开,并开始通过暴涨长大成为一个独立的宇宙。

其实,在霍金的《时间简史》中也有解释:“虫洞是连接宇宙遥远区域的时空细管儿。它也可把平行宇宙或者婴儿宇宙联系起来,并提供时间旅行的可能性”,因此,虫洞又被称为爱因斯坦-罗森桥。虽然目前有少数科学家理论上能推断出它的存在,但它的方程的解仍还是很模糊,无法推断大的虫洞。因为虫洞需要大量的负能量维持,因此宇宙中唯一有希望产生虫洞的就是黑洞的霍金辐射。所以,虫洞被设想为连接着黑洞和白洞的纽带。

可以说,黑洞、白洞和虫洞的神秘,是揭开宇宙之谜的一个重要线索,它们很有可能就是开启宇宙之谜大门的钥匙,或是让我们寻找到其他宇宙存在的可能性。

未来,人类若是要探测更深更远的宇宙,就需要先了解宇宙,发现宇宙,认识宇宙,逐渐的去了解宇宙中的每一个神秘之处,这样才能让我们的文明走得更远,视野更加的开阔。