播报:制造一个虫洞,或许需要这两座“桥”

业界 | 2022-06-14 08:40:30
时间:2022-06-14 08:40:30   /   来源: 科技日报      /   点击数:()

若干年后,你终于攒足首付买到了自己心仪的宇宙飞船,迫不及待地想要遨游在银河之间。但马上,你发现了一个严峻的问题:宇宙太大了,即使以光速飞行,从太阳系抵达最近的恒星,也要超过4年的时间。

这时,你想到了虫洞。在科幻作品中,虫洞是一种跨越时空的“桥梁”,可以让你跳过太空旅行中漫长的时间,以极快的速度抵达目的地。抛开科幻作品不谈,在真实世界中,我们如何才能制造一个虫洞?

爱因斯坦—罗森桥

根据爱因斯坦广义相对论,引力本质上并不是一种力,而是宇宙中因物质分布而带来的时空曲率。物质决定了时空如何扭曲,而扭曲的时空又决定了物质将如何运动。我们无法在宇宙中以超光速运动,却能在时空的不同区域建造隧道,这种时空隧道就是爱因斯坦—罗森桥,它有一个更为人所熟知的名字——虫洞。

如果想搭建虫洞,我们需要将能量和物质按特定的方式排列起来,使时空弯曲,确保时空隧道能够出现。而广义相对论方程的解告诉我们,虫洞作为一种异常现象,诞生于怪异的黑洞中。

黑洞是广义相对论方程的奇点。在广义相对论中,当物质被挤压到极高的密度,以至于任何相互作用都不能抵挡这些物质对时空造成的扭曲,黑洞便不可避免地产生了。黑洞的边界被称为事件视界,事件视界范围内,就连光也无法逃逸。

但黑洞并不是唯一的奇点。广义相对论方程同样允许完全相反的奇点存在,也就是白洞。白洞的中心同样有一个奇点,但它的事件视界方向和黑洞相反,任何物质都无法进入白洞,而白洞内的任何物质在形成时就会以超光速被抛离出去。

从数学上看,白洞会在黑洞产生时自然形成,而一对相连的黑洞和白洞会自动形成一个虫洞。

但是,用这种办法建造虫洞还有两个小问题。

首先,自然中几乎不可能存在白洞。因为白洞太过活跃,高度不稳定。白洞的事件视界一直在不断向外辐射物质。由于白洞在广义相对论方程上和黑洞完全等价,只有事件方向相反,因此演化过程中的白洞看起来会是黑洞演化过程的倒放。所以,白洞最终会演化至黑洞演化的起点——一颗恒星。这违反了热力学第二定律,所以白洞这一选项被排除了。

就算真的能构建一对黑洞和白洞,那么它们两者之间形成的虫洞入口只会位于黑洞事件视界之内,你必须进入黑洞才能实现虫洞之旅。但黑洞的性质决定了物体一旦进入黑洞,就永远无法离开,你会被黑洞中心奇点周围巨大的引力梯度撕碎。

莫里斯—索恩桥

所以,如果想通过虫洞进行星际旅行,光构建一个虫洞还不够,我们还必须保证人类能从这个虫洞穿越过去。还好,广义相对论方程允许我们把虫洞的入口“放”到黑洞事件视界之外,但代价就是这样的虫洞极不稳定,哪怕只有一个光子穿越虫洞,整个虫洞的时空结构就会立即以超光速坍塌。

1988年,物理学家迈克尔·莫里斯和基普·索隆发现了构建稳定、可用、可供穿越的虫洞的方法,被称为莫里斯—索恩桥。但在他们的条件下,虫洞必须是由“负物质”或者说“奇异物质”构成。


【资料图】

“负物质”不是电荷与正常物质相反的反物质,也不是看不见却能提供引力的暗物质,而是质量为负的物质。在虫洞方程中引入负质量,可以消除虫洞的不稳定性,同时又可以让虫洞的入口膨胀到足够大,足以让宏观物体穿越虫洞。

但负质量的物质又是什么呢?

我们在宇宙中还没有发现负质量的物质。这种物质的性质非常奇怪,当它受力时,根据动力学方程,它会朝着力的反方向运动。这完全颠覆了我们对物理学的理解。

根据爱因斯坦质能方程,能量和质量本质上是等价的。虽然我们没能在宇宙中找到负质量物质,但负能量却是真实存在的。真空中,两块相距很近的板之间会因为真空零点能的涨落产生一定的引力,这个过程中的真空能涨落,就可能导致负能量密度的出现,这被称为卡西米尔效应。

在有负能量的地方,就有可能建立稳定的、可供穿越的虫洞。但目前我们的负能量实验局限于纳米尺度,想要建造真正可用的虫洞,或许还要寄希望于量子引力。

广义相对论告诉我们虫洞可能存在,并且能保持稳定,能让物质穿越过去,但前提是允许负能量(负质量物质)的存在。而量子力学告诉我们如何产生负能量,但这种效应只有在微观尺度下才能存在。想要获得真正可用的虫洞,或许我们首先要解决的问题是建立量子引力理论。 

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