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目前科學家從未證實過蟲洞的存在,更不用說從蟲洞中穿越了。

文章作者:管理一號 | 2019-08-30
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蟲洞,這種由廣義相對論預言的奇特結構,是銜接時空中相距遙遠的兩個區域的捷徑,因而寄托了許多人完成時空旅行的夢想。不過,現在科學家從未證明過蟲洞的存在,更不用說從蟲洞中穿越了。

近日,加州大學圣芭芭拉分校的付子操、Brianna Grado-White和Donald Marolfa在預印本文庫網站發了兩篇論文,他們結構了一個可穿越蟲洞的新模型。依據他們的研討,這樣的蟲洞能夠在世界學常數等于0的時空中存在。

拓撲世界監督原理

在Grado-White等人的論文中,他們首先證明了可穿越蟲洞在一般的時空中是不存在的,而這背面用到的物理原理是“拓撲世界監督原理”(Topological censorship)。

早在1993年,物理學家J。 L。 Friedman、K。 Schleich和D。 M。 Witt等人就宣布了拓撲世界監督原理的論文,這一原理能夠以為是1969年相對論專家彭羅斯提出的“世界監督猜想”(cosmic censorship hypothesis)的連續。

世界監督猜想指出,一個旋轉的帶電黑洞不可能旋轉得太快,因為巨大的旋轉角速度會讓被黑洞視界包裹的奇點暴露出來,而這是違背相對論因果性的。但彭羅斯不能從數學物理的視點來證明這個猜想,于是他以為,需要一個像天主相同的“世界監督”來制止黑洞暴露奇點。

到了1993年,世界監督猜想還沒被證明,但J。 L。 Friedman、K。 Schleich和D。 M。 Witt等人繼續提出了拓撲世界監督原理。要理解這項原理,咱們首先要了解類光能量條件(null energy condition)。

在時空中,光子的軌跡是一條類光曲線,這條曲線在時空中的每一點都有一個切矢量,記作類光矢量(k)。別的,愛因斯坦的引力方程中,有描寫物質信息的能量動量張量(T)。T是2階張量,能夠看成一個矩陣;而k是一個矢量,能夠看成是一個列向量。因而,當T與兩個k相乘,得到一個數。關于一切普通的物質,這個數是大于等于0的,這便是類光能量條件:

依據拓撲世界監督原理,假如世界中的物質的能量動量張量不破壞類光能量條件,那么時空不能有特別的拓撲結構。也便是說,時空在拓撲上應該等價于四維歐氏空間、四維球面等簡略的幾何體,而不應該出現相似自行車內胎這樣的古怪拓撲結構。而可穿越蟲洞,就歸于一種古怪的拓撲。所以,依據拓撲世界監督原理,在正常的時空中,可穿越蟲洞不會存在。

有必要違背類光能量條件

那么,什么時候蟲洞能夠存在,而能被物質所穿越呢?

蟲洞作為一種時空的拓撲結構,是受到愛因斯坦引力場方程限制的。愛因斯坦引力場方程的左邊是空間曲率,而右邊是能量動量張量。

可穿越蟲洞的存在,有一個基本原則,那便是物質場的能量動量張量有必要違背類光能量條件。

任何一個的可穿越蟲洞,有必要有違背類光能量條件的“負能量”來支撐。換句話說,假如一群光子想要穿越蟲洞,那么這群光子對應的測地線不能在蟲洞里會聚,這需要用到印度的聞名物理學家瑞查德符里(Amal Kumar Raychaudhuri)提出的方程。

研討蟲洞理論的哈佛大學物理學博士高蘋告訴《環球科學》:“經過瑞查德符里的方程能夠看出,在蟲洞中,光線只有在物質場的能量動量張量違背類光能量條件下,才不會撞上奇點——在這種情況下,聚集在蟲洞一端的光線在離開蟲洞的另一端時會散開,這樣才能夠從蟲洞中逃出來。”

因而,拓撲世界監督原理與瑞查德符里方程都指向同一個結論:“要想穿越蟲洞,有必要要有違背類光能量條件的負能量!”

用世界弦結構可穿越蟲洞

在Grado-White等人的論文,他們就在此基礎上,結構了一個可穿越的蟲洞。

首先,他們需要有兩個帶電黑洞,并且這兩個黑洞的電荷是相反的。也便是說,其間一個黑洞帶正電,另一個黑洞帶負電。(盡管這樣的帶電黑洞在實際世界中不常見,但理論上它能夠在世界學常數等于0的正常時空中存在)為什么要讓黑洞帶著電荷?這是因為帶電黑洞內部的奇點能夠被拉伸扭曲,從而構成一座通向另一個帶電黑洞的橋,這個橋便是科學家夢寐以求的蟲洞的雛形。

但是,有了蟲洞的雛形還是不夠的。因為帶電黑洞之間存在萬有引力和電磁力,這些力都是彼此吸引的,它們會讓兩個黑洞彼此靠近,這就不能結構出一個安穩的蟲洞。

那么,如何才能讓蟲洞安穩下來呢?他們想到了世界弦。

世界弦是一個來自弦論的理論模型,能夠被看成是大爆炸以后的時空結構被冰凍時構成的奇異物體,具有很強壯的張力(彈性)。早期世界中出現的弦假如隨世界膨脹而擴大,那么就可能成為尺度很大的世界弦。這種世界弦能夠長達幾萬光年,成為銜接兩個黑洞的管道。在Grado-White等人的論文中,他們用到了兩根世界弦。

如下圖所示,藍色的世界弦是一個閉弦,能夠振蕩起來發生負能量。他們計算了這些負能量對時空幾何的影響,發現它確實能夠防止蟲洞坍塌。而黑色的世界弦是一個開弦,它銜接了兩個帶電黑洞的端口,依托世界弦巨大的張力阻止兩個黑洞彼此靠攏。

 

這個解決方案使得蟲洞不但安穩,并且能夠被穿越。穿越這個蟲洞所要花費的時間,大致與距離與光速的商在同一個量級,所以,這是一個“不快不慢”的蟲洞。而在馬爾達西納等人提出的永久蟲洞里,穿越的時間則要長許多,這樣的永久蟲洞并不合適星際旅行,只合適用來逃避星際戰役。

曾經的可穿越蟲洞研討大多都與反德西特時空(世界學常數為負數)有關,而最新的研討結構了一種在世界學常數為0的時空中能夠存在的可穿越蟲洞,這使得整個研討看起來其實更符合實際。

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