蟲洞是科幻小說中最受歡迎的題材之一,航天器可以通過蟲洞實(shí)現(xiàn)超光速旅行,從時(shí)空的一個(gè)點(diǎn)瞬間移動(dòng)到另一個(gè)點(diǎn)。盡管廣義相對(duì)論不允許“可穿越蟲洞”的存在,但最近的一項(xiàng)研究指出,在量子物理學(xué)領(lǐng)域內(nèi),蟲洞實(shí)際上是可能存在的。 唯一的缺點(diǎn)是它們實(shí)際上要比正??臻g花費(fèi)更長(zhǎng)的時(shí)間和可能是微觀的。在一對(duì)常春藤聯(lián)盟科學(xué)家進(jìn)行的一項(xiàng)新研究中,標(biāo)準(zhǔn)模型之外的物理學(xué)的存在可能意味著那里存在蟲洞,這些蟲洞不僅足夠大,可以穿越,而且對(duì)于希望從A點(diǎn)到B點(diǎn)到達(dá)的人類旅行者來說,是完全安全的。 這項(xiàng)研究名為'人類可穿越蟲洞',由高級(jí)研究所的卡爾·范伯格理論物理學(xué)教授胡安·瑪爾達(dá)塞納和普林斯頓大學(xué)天體物理學(xué)專業(yè)的畢業(yè)生阿列克謝·米利欣進(jìn)行。兩人就過去的蟲洞問題以及如何將它們作為安全穿越太空的手段進(jìn)行了廣泛的科普寫作。 關(guān)于蟲洞的理論是在20世紀(jì)初根據(jù)愛因斯坦的廣義相對(duì)論而出現(xiàn)的。德國(guó)物理學(xué)家和天文學(xué)家卡爾·史瓦西(Karl Schwarzschild)首先假設(shè)它們的存在,他關(guān)于愛因斯坦場(chǎng)方程(史瓦西度量)的解為黑洞的存在提供了第一個(gè)理論基礎(chǔ)。 史瓦西度量標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)結(jié)果就是他所說的“永恒黑洞”,它本質(zhì)上是時(shí)空中不同點(diǎn)之間的聯(lián)系。但是,這些史瓦西蟲洞(又稱愛因斯坦-羅森橋)是不穩(wěn)定的,因?yàn)樗鼈兯莸锰欤灾劣谌魏螙|西都無(wú)法從一端穿過。 正如瑪爾達(dá)塞納和米利欣通過電子郵件向《今日宇宙》解釋的那樣,可穿越的蟲洞需要特殊的環(huán)境才能存在。這包括負(fù)能量的存在,這在經(jīng)典物理學(xué)中是不允許的,但在量子物理學(xué)領(lǐng)域可能存在負(fù)能量。他們聲稱,卡西米爾效應(yīng)就是一個(gè)很好的例子,其中量子場(chǎng)在沿閉合圓傳播的同時(shí)產(chǎn)生負(fù)能量。 “但是,這種影響通常很小,因?yàn)樗嬖谟诹孔蛹?jí)別。在我們以前的論文中,我們意識(shí)到,這種影響對(duì)于帶大磁性電荷的黑洞會(huì)變得相當(dāng)大。新的想法是使用帶電的無(wú)質(zhì)量費(fèi)米子的特殊性質(zhì)。電子,但質(zhì)量為零)。對(duì)于帶電的黑洞,它們沿磁場(chǎng)線傳播(與太陽(yáng)風(fēng)的帶電粒子在地球極地附近形成極光的方式類似)。” 這些粒子可以進(jìn)入一個(gè)點(diǎn)并在周圍平坦的空間中開始出現(xiàn),從而繞行一圈。這意味著“真空能量”被修改并且可以為負(fù)。這種負(fù)能量的存在可以支持穩(wěn)定蟲洞的存在,蟲洞是時(shí)空中各個(gè)點(diǎn)之間的橋梁,在某些事物有機(jī)會(huì)穿越它之前不會(huì)崩潰。 基于作為粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型一部分的物質(zhì),此類蟲洞存在是可能的。唯一的問題是,這些蟲洞只能存在于微觀層面,并且只能存在很小的距離。對(duì)于人類旅行而言,蟲洞必須很大,這需要超出標(biāo)準(zhǔn)模型的物理?xiàng)l件。 對(duì)于瑪爾達(dá)塞納和米利欣而言,這就是Randall-Sundrum II模型(又稱五維扭曲幾何理論)發(fā)揮作用的地方。該模型以理論物理學(xué)家麗莎·蘭德爾(Lisa Randall)和拉曼·桑德拉姆(Raman Sundrum)的名字命名,以五個(gè)維度描述了宇宙,最初是為解決粒子物理學(xué)中的層次結(jié)構(gòu)問題而提出的理論模型。 “ Randall-Sundrom II模型是基于這樣的認(rèn)識(shí),即五維時(shí)空也可以用比我們通常探索的能量更低的能量來描述物理學(xué),但是由于它僅通過引力與我們的物質(zhì)耦合,因此它可以逃脫檢測(cè)。實(shí)際上,它的物理學(xué)類似于在已知的物理學(xué)中增加許多強(qiáng)烈相互作用的無(wú)質(zhì)量場(chǎng),因此,它會(huì)產(chǎn)生所需的負(fù)能量?!?/p> 從外部來看,瑪爾達(dá)塞納和米利欣得出的結(jié)論是,這些蟲洞類似于中等大小的帶電黑洞,它們會(huì)產(chǎn)生類似的強(qiáng)大潮汐力,航天器需要警惕這些潮汐力。他們聲稱,要做到這一點(diǎn),潛在的旅行者在穿過蟲洞的中心時(shí)需要非常大的提升因子。 假設(shè)這是可能的,問題仍然是這些蟲洞是否可以充當(dāng)時(shí)空兩點(diǎn)之間的捷徑。如前所述,哈佛大學(xué)的丹尼爾·賈菲里斯(Daniel Jafferis)之前的研究(也考慮了愛因斯坦和內(nèi)森·羅森的研究)表明,盡管可能,穩(wěn)定的蟲洞實(shí)際上比正常蟲洞需要更長(zhǎng)的穿越時(shí)間。 但是,根據(jù)瑪爾達(dá)塞納和米利欣的工作,從旅行者的角度來看,它們的蟲洞幾乎不需要花費(fèi)時(shí)間。從局外人的角度來看,旅行時(shí)間會(huì)更長(zhǎng),這與廣義相對(duì)論相符,在廣義相對(duì)論中,接近光速旅行的人會(huì)經(jīng)歷時(shí)間膨脹(即時(shí)間變慢)。正如瑪爾達(dá)塞納和米利欣所說: “宇航員穿過蟲洞,他們僅需花費(fèi)一秒鐘的時(shí)間就可以到達(dá)10,000光年的距離(約5萬(wàn)億英里或銀河系大小的1/10)。而對(duì)于蟲洞外的觀察者來說,這些穿越蟲洞宇航員花費(fèi)了超過10,000年的時(shí)間。由于引力使飛船加速和減速,所有這些都無(wú)需使用燃料?!?/p> 另一個(gè)好處是,由于蟲洞本身的引力會(huì)加速和減速飛船,因此無(wú)需使用燃料就可以穿越這些蟲洞。在太空探索的情況下,飛行員需要導(dǎo)航蟲洞的潮汐力,以將其航天器正確定位,然后讓自然完成其余的工作。一秒鐘后,它們會(huì)出現(xiàn)在銀河系的另一側(cè)。 盡管這對(duì)于那些認(rèn)為蟲洞可能成為某天的太空旅行手段的人來說可能可能是一件令人興奮的事情,但瑪爾達(dá)塞納和米利的工作也存在一些重大缺陷。首先,他們強(qiáng)調(diào),由于不存在自然形成的合理機(jī)制,因此必須使用負(fù)質(zhì)量來設(shè)計(jì)可穿越的蟲洞。 盡管這是可能的(至少在理論上是這樣),但必須事先提供必要的時(shí)空配置。即使如此,所涉及的質(zhì)量和尺寸仍然很大,以至于這項(xiàng)任務(wù)超出了我們可以預(yù)見的任何實(shí)用技術(shù)。其次,只有在空間寒冷而平坦的情況下,這些蟲洞才是安全,而Randall Sundrum II模型除外。 最重要的是,任何進(jìn)入蟲洞的物體都會(huì)加速,甚至宇宙背景輻射的存在也會(huì)是一個(gè)重大的危險(xiǎn)。然而,瑪爾達(dá)塞納和米利欣強(qiáng)調(diào),他們的研究是為了表明,由于'廣義相對(duì)論和量子物理學(xué)之間的微妙相互作用',可穿越的蟲洞可能存在。 簡(jiǎn)而言之,蟲洞不太可能成為在太空中穿行的可用方法,至少在任何可以預(yù)見的方式中都是如此。也許他們不會(huì)超越卡爾達(dá)舍夫II(Kardashev II)型或III型文明,但這只是推測(cè)。即便如此,知道科幻小說中的主要內(nèi)容,并沒有超出可能性的范圍無(wú)疑是令人鼓舞的。 |
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