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我們真的可以活著穿過蟲洞嗎?
我們真的可以活著穿過蟲洞嗎?
中科院物理所     阅读简体中文版

《超時空接觸》,一個可穿行蟲洞的瘋狂構想(T)

(flyingspace /譯)時間快進大約1/4 世紀,也就是1985 年5 月。

卡爾· 薩根給我打電話,讓我評論一下他新寫成的小說《超時空接觸》中關于相對論的描述是否科學準確。我很高興地答應了,因為我們是很好的朋友,并且我想這本書一定很有意思。另外,我還欠他個人情,因為是他介紹我認識了琳達· 奧布斯特。

卡爾把他新書的初稿發給了我,我讀了之后非常喜歡。但是在我看來,書中有一個問題。在這部小說里,卡爾把女主角埃莉諾· 阿羅維(Eleanor Arroway)博士從太陽系送到了織女星——是通過一個黑洞傳送過去的。但是據我所知,人類是不可能通過黑洞從太陽系到達織女星或者宇宙的其他任何地方的,因為在進入黑洞的視界后,埃莉諾· 阿羅維博士將被奇點殺死。如果想快速到達織女星,那么我們的女主角需要的是一個蟲洞,而不是黑洞。而且,這個蟲洞不會斷裂,是一個可以穿行的蟲洞。

所以我問自己,到底怎么做才能讓福拉姆蟲洞不斷開呢?怎樣才能保證福拉姆蟲洞保持在打開且連通的狀態,以讓我們穿行過去呢?通過一個假想的實驗,我找到了答案。

假設你有一個像福拉姆蟲洞那樣的球形蟲洞,但是與前者不同的是,它不會斷開。然后,你可以沿著蟲洞的徑向發射一束光。因為這束光的所有光線都是沿著蟲洞的徑向前進的,所以這束光線在蟲洞中的形狀應該如下圖所演示的那樣。在進入蟲洞的時候,光束會匯聚起來(光束的橫截面變小),而當光束從另一端離開蟲洞的時候,光束又會發散開來(光束的橫截面變大)。蟲洞對光線的作用是發散的,類似于一個凹透鏡。

由馬特· 奇梅特基于我的草稿繪制, 此圖來自我所著的《黑洞與時間彎曲》一書。一束沿徑向穿越可穿行球狀蟲洞光束的示意圖。左半部分:高維超空間的假象觀測,由三維空間投影成二維形式。右半部分:三維宇宙中的真實觀測情形

我們知道,引力體(例如太陽或者黑洞)會將光線向內彎曲(見下圖),而不能將光線向外彎曲。若想將光線向外彎曲,那么作為透鏡的引力體需要具有負質量才行(當然負能量也是可行的,因為愛因斯坦的質能守恒方程告訴我們,質量和能量是等效的)。基于上面這些基本的事實,我得到了以下結論:

太陽或者黑洞對經過其周圍的光線的向內彎曲示意圖

任何可穿行的球對稱蟲洞一定是由某種具備負能量的物質支撐著的。這些物質的能量至少要和光束(或者其他以近光速運動的物體)穿行蟲洞時所承受的負能量相當。(在相對論物理定律里,能量的概念比較奇怪—— 一個人所測量到的能量取決于他的運動速度和方向。)

我把這種具有負能量的物質稱為“奇異物質”(exotic matter)。(后來我才知道,其實根據愛因斯坦的廣義相對論,任何蟲洞,無論球對稱與否,如果想要保持可穿行的性質,其內部必須填充奇異物質。這個結論是加州大學戴維斯分校的丹尼斯· 甘農(Dennis Gannon)教授在1975 年證明的一個理論的推論。由于我的一些疏忽,當時我并不知道甘農教授的這一理論。)

令人驚異的是,現有的理論表明,奇異物質是可以存在的,當然這要歸功于量子物理里面那些奇怪的法則。物理學家們甚至在實驗室里制造出了極少量的奇異物質——實驗是在距離極近的兩個導體板之間實現的。這個效應被稱作卡西米爾效應(Casimir effect)。但是那時(1985 年)的我還不是非常清楚蟲洞是否可以抓住足夠多的奇異物質以保持自身的連通,所以我還做了其他兩件事。

第一,我寫信給卡爾,建議他把書中“通過黑洞把埃莉諾· 阿羅維博士送到織女星”中“通過黑洞”的部分改成“通過蟲洞”。信中我還附上了一份描述蟲洞的相關計算。這份計算顯示,可穿行蟲洞內必須填入“奇異物質”。卡爾接納了我的建議(并且把我有關蟲洞的方程加在了他小說的致謝里面)。從此,蟲洞正式出現在現代科幻領域,比如小說、電影和電視劇等。

第二,我與我的兩名學生馬克· 莫里斯(Mark Morris)和烏爾維· 尤爾特塞韋爾(Ulvi Yurtsever)一起發表了兩篇關于“可穿行蟲洞”的科技文章。在這兩篇文章中,我們向物理界同行們提出了一個問題:通過結合量子定律和廣義相對論物理定律,一個高度發達的文明是否可以在蟲洞中放入足夠多的奇異物質來使之保持連通?

這促使大量的物理學家們進行了大量的研究工作,但是直到今天為止——大約30 年過去了,這個問題依然沒有答案。絕大部分研究結果給出了否定的答案,“可穿行蟲洞”也許不可能存在。我們離最終的答案還有很長的路要走。相關細節請閱讀我的物理學同事艾倫· 埃弗里特(Allen Everett)和托馬斯· 羅曼(Thomas Roman)合著的《Time Travel and Warp Drives 》一書。

可穿行蟲洞應該是什么樣子? (EG

對于類似人類這樣生活在宇宙中的生物而言,一個可穿行的蟲洞看起來會是什么樣子呢?

我不能給出確切的答案。如果一個蟲洞能夠維持開放狀態,如何實現的細節依舊是一個謎,所以蟲洞形狀的具體細節也是未知的。相比之下,羅伊· 克爾已經給出了關于黑洞的精確描述。

所以關于蟲洞的性質,我只能給出一些基于現有理論的猜想,我對這些猜想還是相當有信心的,因此把這一小節標注成EG(有根據的推測)。

左圖由凱瑟琳· 麥克布賴德(Catherine MacBride)拍攝,右圖由馬克· 英特蘭特(Mark Interrante)拍攝。通過蟲洞的兩個入口分別看到的像。

想象現在地球上有一個蟲洞,這個蟲洞穿越超體連接了愛爾蘭都柏林的格拉夫頓大街與南加州的沙漠。兩者在蟲洞間的距離也許只有數米那么遠(見上圖)。

我們把蟲洞的兩端稱為“口”。假設你正坐在都柏林街邊的咖啡館里(蟲洞的A 口處),這時我站在南加州沙漠里(B 口處)。這兩個入口應該看起來像兩個水晶球。當我從B 口看過去時,我會看到一個扭曲的都柏林格拉夫頓大街。這個扭曲的像是從都柏林的A 口處進入蟲洞的光所呈現出來的,這個現象特別像光線通過光纖后所成的像。同理,當你從都柏林的A 口看過去時,你會看到南加州沙漠中約書亞樹(仙人掌樹)被蟲洞扭曲的像。(編輯:游識猷)

[注:文中標題處的“T”指的是科學事實,“EG”指的是有根據的推測。]

本文節選自《星際穿越》一書,基普•索恩(Kip Thorne)著,茍利軍 王嵐 李然 等譯


作者:Kip Thorne

來源:果殼網



2015-08-23 08:56

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