《探索》蟲洞之謎:蟲洞的另一端有什麼?(二)

在圖中,我們會發現I和IV這兩個的宇宙在中間點上是相連的,這個點其實就是史瓦西蟲洞,可以把兩個宇宙連接起來。事實上,它也把四個時空全部連接了起來。

《探索》蟲洞之謎:蟲洞的另一端有什麼?(二)

這種蟲洞就是愛因斯坦和他的同事納森·羅森最早提出的,所以在當時他們把它稱為愛因斯坦一羅森橋。它在鑲嵌圖中是下面右圖的樣子,其實可以說是一個黑洞的內部與一個白洞的內部相連所形成的時空結構。所以說,史瓦西蟲洞應該是單向的,也就是說蟲洞的一端任何物質只進不出,另一端只出不進。

《探索》蟲洞之謎:蟲洞的另一端有什麼?(二)

這是一個不穩定的蟲洞

那麼,我們能否利用史瓦西蟲洞,從我們的宇宙跑到另外一端的宇宙呢?可惜,這是不可能的。上世紀60年代,美國物理學家約翰·惠勒和他的同事發現,這種類型的蟲洞是不穩定的,存在的瞬間轉瞬即逝,

任何物質包括光都來不及從一個宇宙中穿過蟲洞並抵達另一個宇宙。

下頁圖中表示了史瓦西蟲洞的隧道的變化過程。形成前只是兩個分離的黑洞和白洞,形成蟲洞後瞬間又變成黑洞和白洞。在圖中可以看出,任何嘗試穿過蟲洞的東西都不可能從另一端出來,它最終都會在蟲洞關閉之後撞到奇點上。

史瓦西蟲洞的一個洞口像黑洞,另一個的洞口像白洞。事實上,對於一個外面的觀察者來說,蟲洞的一個洞口與真正的黑洞看上去是一模一樣的。也許宇宙中的那些黑洞內部會形成短暫的史瓦西蟲洞。

《探索》蟲洞之謎:蟲洞的另一端有什麼?(二)

現在讓我們來想象一下如果你從洞口進人蟲洞會是什麼樣子。開始進人洞口的過程與進人一個黑洞類似,當你穿過事件視界之後,如果你沒有被潮汐力撕碎的話,你可以看到洞口的中間有扭曲的圖像,這是從蟲洞另一端發射過來的光線。下面的圖則簡要地表示了這種情況。

《探索》蟲洞之謎:蟲洞的另一端有什麼?(二)

圖中圖像是蟲洞這邊的星空圖,左邊的是蟲洞另一邊的星空圖。雖然你可以看見蟲洞另一側的景色,但很可惜你無法抵達那裡。因為史瓦西蟲洞是不穩定的,在你還沒有反應過來的時候,蟲洞就關閉了,你之後會撞倒在蟲洞關閉後形成的奇點上。

《探索》蟲洞之謎:蟲洞的另一端有什麼?(二)

史瓦西蟲洞轉瞬即逝,任何物質都無法穿過它。

那麼有沒有辦法使得史瓦西蟲洞穩定下來呢?美國物理學家基普·索恩找到了~種辦法,儘管看上去不可思議。

穩定而可穿行的蟲洞

《探索》蟲洞之謎:蟲洞的另一端有什麼?(二)

一個可穿行的蟲洞應該滿足下面幾個條件:

1)蟲洞是穩定的,或者至少可以存在很長時問,而不能像史瓦西蟲洞那樣,還沒等物質傳過去,它就關閉了;

2)蟲洞內部不含有事件視界,這樣物質才可以自由地雙向穿行;

3)穿過蟲洞得在有限時間內完成。

另外,如果人要駕駛宇宙飛船穿過蟲洞,蟲洞內部潮汐力的加速度得足夠小,至少得小於人體所能承受的加速度(大約相當於重力加速度的10倍)。1988年,索恩和他的學生麥克·莫里斯詳細地探討了這種蟲洞。根據愛因斯坦的引力方程,他們發現這種蟲洞如果存在的話,其內部必須存在平均能量密度為負數的物質(下面把它稱為“奇異物質”)。

這種奇異物質並不是十分的古怪,事實上我們在實驗室中就可以產生它。例如,真空中彼此平行的兩片金屬板之間將會存在一種吸引力。因為真空並不是真的空,而是充滿了能量的漲落。能量的漲落會產生虛粒子,不過金屬板之間只能裝下特定波長的虛粒子,這樣就會導致金屬板之間的真空能量比其他正常空間裡的能量低。真空是平均能量為零的空間,這樣金屬板的空間就是平均能量為負的空間了。金屬板之間的物質就可以認為是具有負能量的奇異物質。如果這樣的奇異物質貫穿到蟲洞之中,蟲洞就有足夠的時間保持開放狀態讓物質通過。

在高維世界打開蟲洞

雖然我們可以利用金屬板之間產生一些奇異物質,但那是十分稀少的。而要撐開蟲洞,則需要很多奇異物質。撐開一個半徑為1釐米的蟲洞,需要相當於一個地球質量的奇異物質;撐開一個半徑為1千米的蟲洞,需要相當於一個太陽質量的奇異物質;撐開一個半徑為1光年的蟲洞,需要大約銀河系發光物質總質量100倍的奇異物質。另外,如果能讓一艘載人宇宙飛船穿過的話,蟲洞內部的潮汐力引起的加速度不能太大。經過計算發現,人類能承受的蟲洞,其半徑至少要大於1光年。

我們完全不知道如何產生那麼多的奇異物質。看來,利用奇異物質來打開蟲洞並進行星際旅行,難度巨大。

不過換一個角度來想,可穿行的蟲洞真的必須要有奇異物質嗎?

在2002年,一些物理學家發現,高斯一波涅引力理論下的蟲洞可以不需要奇異物質就可以保持打開狀態,甚至它可以不需要任何物質就可以保持打開。高斯一波涅引力理論其實是一種把高維空間加人到廣義相對論中的理論,它把我們的世界描述為一個四維時空的島,或者一種“膜”,漂浮在更高維的時空中。而蟲洞則可以把不同的“膜”世界連接起來,而且它不需要任何物質就可以穩定地存在。


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