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虫洞不能让你回到过去,来自常春藤盟校的科学

时间:2019-08-22 22:49来源:科学研究
狭义相对论,自从1905年阿尔伯特·爱因斯坦首次提出这个概念以来,它就一直是太空探险家、未来学家和科幻小说作家的祸根。对于我们这些梦想着人类有朝一日成为星际物种的人来说

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狭义相对论,自从1905年阿尔伯特·爱因斯坦首次提出这个概念以来,它就一直是太空探险家、未来学家和科幻小说作家的祸根。对于我们这些梦想着人类有朝一日成为星际物种的人来说,这一科学事实就像一件令人扫兴的事,因为它离我们实在太远了。幸运的是,有一些理论概念已经被提出,这些概念表明,总有一天,超光速旅行仍然是可能的。

(老猫/译)科幻太空史诗《星际穿越》正在热映,剧中人类文明正面临毁灭的危险,但是宇航员们看到了一丝希望:因为土星附近神秘地出现了一个虫洞。这条穿越时空的隧道通向一个遥远的星系,人类可以穿过这条隧道,找寻一个可以殖民的星球,以延续我们的文明。电影中的虫洞是基于真实的物理学理论的,由天体物理学先驱基普·索恩(Kip Thorne)建立。索恩曾经是加州理工学院的教授,不过现在已经退休在家。除了学术上的贡献外,他还曾经帮助卡尔·萨根(Carl Sagan)设计著名科幻小说《接触》(Contact)中的虫洞。《星际穿越》电影中的视觉效果非常震撼,很多人都认为电影中对虫洞与黑洞描绘的准确性可能在整个电影史上数一数二。当然,在电影中还有一个很重要的方面没有提及:你如何在这样的一次星际穿越中活下来?

1905年,当爱因斯坦在狭义相对论中提出光速不变原理时,他也给光的速度设了一个上限:299,792,458米每秒,这样的速度每秒足以绕地球八圈。

图片来源:pixabay

目前一个流行的例子关于虫洞的概念是来自一种推测性的结构,在时空中连接两个遥远的点,使星际空间旅行成为可能。但是最近,一组常春藤盟校的科学家进行了一项研究,表明“可穿越的虫洞”实际上是现实的。坏消息是,他们的研究结果表明,这些虫洞并不完全是捷径,它们可能相当于宇宙中的“长路漫漫”!

新豪天地登录网址 2影片中,NASA的科学家依然在试图解决重力问题。图片:Paramount Pictures and Warner Brothers Entertainment

但这并不是故事的全部。事实上,这仅仅是开始。

如果外星人之间发生星际战争,而地球人打不过外星人,那么地球人应该怎么办?最新的虫洞研究也许可以给我们一定的启示:人类可以躲在虫洞里,等战争结束了再出来。

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虫洞是什么?

虽然爱因斯坦和他的助手纳森·罗森(Nathan Rosen)最早不这么叫它,但是虫洞最初的确是他们的智慧结晶。当时他们正在试图用各方法来解爱因斯坦的广义相对论方程,以期用一个纯粹的数学模型来解释整个宇宙,包括重力,以及构成物质的各种粒子。其中包括的一种方法是将空间描述成两个几何面,其间由“桥”连接,而在我们的感知中,这些桥就是粒子。

1916年,另外一位物理学家路德维希·弗拉姆(Ludwig Flamm),同样是在解爱因斯坦的方程的时候,独立发现了这些“桥”。不幸的是,这个“万有理论”并不成功,因为这些“桥”的表现并不像是真正的粒子。但是爱因斯坦和罗森在1935年发表的论文使得“穿越时空结构的隧道”这个概念得以流行,其它物理学家不得不认真地考虑这些隧道带来的影响。

20世纪60年代,普林斯顿大学的物理学家约翰·惠勒(John Wheeler)在研究“爱因斯坦-罗森桥”的数学模型时,创造了“虫洞”这一术语。他指出,这些桥很像虫子钻过苹果后留下的洞。一只蚂蚁从苹果的一端爬到另一端,选择一是绕着苹果弯曲的表面爬上半圈,选择二则是抄苹果上的虫眼这条小路。想象一下在更高纬的空间里,如果我们所处的三维时空就像是苹果皮一样弯曲着的,那么穿越高维空间实体的“虫洞”,必然可以让我们更快地在三维空间中的两个点之间往返。这听上去有些奇怪,但从数学上来说,这是的确是广义相对论的一个合理的解。

在爱因斯坦之前,质量和能量是被区分对待的。直到1905年,爱因斯坦改变了物理学家看待宇宙的方式。

撰文 | 张华

我们能通过由经典的史瓦西黑洞造成的虫洞吗?

惠勒意识到爱因斯坦-罗森桥入口的特性与史瓦西黑洞(Schwarzschild black hole)的描述恰好相符:一个由物质组成的球体,密度大到连光也无法从它的引力场中逃逸。天文学家认定黑洞是存在的,认为大质量恒星核心坍缩之后就会形成它们。所以黑洞可以同时是虫洞,亦即星际旅行之门吗?数学上来说,可能可以——但是没人能活着完成这次旅行。

新豪天地登录网址 4影片中,花朵状的永恒号太空船正在接近虫洞。图片:Paramount Pictures and Warner Brothers Entertainment

在史瓦西模型中,黑洞的核心是一个奇点,一个具有无限大密度的,中性的,静止的球体。惠勒计算了如果三维空间中两个相距遥远奇点跨越更高维度相连会发生什么——形象一点儿说,就是两个史瓦西黑洞通过隧道相连。他发现这样的虫洞天生就不稳定,这样的隧道可以形成,但是很快就会收缩“夹止”(即从中收缩断开),重新形成两个独立的奇点。这个过程非常快,隧道从形成到断开的时间如此之短,以至于连光都来不及从中穿过。而且如果宇航员想要从中通过的话,必然会遇到其中的一个奇点——这是件必死无疑的事情,因为奇点巨大的引力会将任何一个试图靠近的人撕得粉碎。

索恩也在这部电影的配套书籍《星际穿越中的科学》中写道:“任何试图穿越(虫洞)的人或物都会在夹止过程中被毁灭。”

爱因斯坦的狭义相对论将质量和能量紧紧地联系在了一起,并写下了一个非常简洁优美的公式:

以前说到虫洞,大都与星际旅行这个话题有关。因为宇宙太大,而人类的飞行器速度太慢,我们的寿命也很短,所以要跨越遥远的星际空间几乎是不可能完成的任务。比如距离太阳最近的恒星位于半人马座,与我们大约相隔4光年,就算以光速的百分之一飞行,也要需要400年时间才能抵达这里;而太阳距离银河系中心则是26 000光年,所以在当前的技术水平下,前往银河系中心几乎是一个遥不可及的梦想。最近人类拍摄到的第一张黑洞照片,则位于距离太阳系5500万光年的遥远星空,人类的肉身怎么可以穿越这遥远的星辰大海?

新豪天地登录网址 ,虫洞理论最初是爱因斯坦广义相对论场方程的一种可能解。1915年爱因斯坦发表该理论后不久,德国物理学家卡尔·史瓦西发现了一个可能的解决方案,不仅预言了黑洞的存在,而且还预言了连接黑洞的捷径。

如果黑洞转起来,形成一个克尔黑洞呢?

当然我们还有选择的余地:广义相对论认为还有可能存在着一种转动着的克尔黑洞(Kerr black hole)。与史瓦西黑洞中的球体不同,克尔黑洞中的奇点是一个环。有一些模型认为,人可以舒服地从这个环的中间通过,就像篮球通过篮筐那样。但是索恩对此观点有诸多异议。在1987年他发表的一篇关于穿越虫洞的论文中,他提出克尔黑洞的喉部具有一个非常不稳定的区域,叫做柯西视界(Cauchy horizon)。数学告诉我们,任何物质,包括光,试图通过这一视界的时候,这个通道都会坍缩。而且即使通过什么特殊的途径使得这个虫洞稳定下来,量子理论告诉我们虫洞里也将充满各种高能粒子。涉足克尔黑洞,你会被炸得像薯片一样脆。

这个公式预测了没有任何物体可以运行的跟光一样快,更不用说超光速了。

于是,大家总是说,想要穿越遥远的星际空间,只能依靠虫洞。但是,最新的虫洞研究告诉我们,通过虫洞实现星际旅行可能并不是最佳选择。

不幸的是,史瓦西发现任何连接两个黑洞的虫洞都会坍塌得太快,任何东西都无法从一端穿过另一端。唯一能穿越它们的方法是它们被具有负能量密度的外来物质的存在所稳定。哈佛大学(Harvard University)物理学副教授丹尼尔·贾佛瑞斯(Daniel Jafferis)对此持不同观点,他认为可穿越虫洞结构的前景一直是一个迷人的想象,或许不会那么糟糕。

如果再加入一些量子理论呢?

现在的关键是,经典引力理论尚未与量子理论完美结合——虽然有很多研究人员试图搞定它,但是用数学来表示量子世界依然很难实现。不过在一方面,普林斯顿大学的胡安·马尔达西那(Juan Maldacena)和斯坦福大学的伦纳德·萨斯坎德(Leonard Susskind)认为,虫洞可能是量子纠缠态的物理表现——这种状态下的物体不论距离多远都是相互关联的。

爱因斯坦曾讥讽量子纠缠为“鬼魅般的超距作用”,并拒绝接受这一理念。但是很多实验告诉我们量子纠缠是真实存在的——这一现象甚至在商业上都得以应用,例如在银行交易时用以保护在线传输的安全性。根据马尔达西那和萨斯坎德的理论,大量的纠缠态变化会改变时空的几何形态,以纠缠态黑洞的形式形成虫洞。但是这个版本的虫洞并不会使星际穿越之门。

“这些虫洞并不能让你超光速航行,”马尔达西那表示,“但是它可以让你与虫洞里的人见面,当然得提前警告你们,两边的人会同时死于引力奇点的作用。”

科学家只有在粒子加速器内才能实现接近光速,比如在欧洲粒子中心的大型强子对撞机。利用加速器,科学可以把粒子加速至99.99%的光速,但是,这些粒子永远也不可能达到宇宙的速度极限。为什么呢?

可穿越虫洞:关键是负质量

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除了黑洞,我们还有其他的选择吗?

所以,黑洞是个大问题。那,虫洞可能是什么?哈佛-史密森尼天体物理中心的阿维·勒布(Avi Loeb)表示其实要形成一个虫洞的话,我们还有很多可能性:“因为我们现在还没有一个理论可以很好地将广义相对论与量子理论统一起来,所以我们还不知道能够形成虫洞的时空结构都有哪些可能性。

还有一个问题。索恩在他1987年的工作中发现,符合广义相对论的任何类型虫洞都会坍缩,除非它是由具有负能量的“奇异物质”支撑着的。他认为我们有证据表明奇异物质的存在,因为实验表明真空中的量子涨落似乎会产生一个负压,就像两面紧靠着的镜子一样。勒布还表示,我们观察到的暗能量可能进一步暗示着宇宙中奇异物质存在的可能性。

“纵观宇宙近代史,不难发现河外星系都在远离我们而去,而且速度越来越快,就像是受到了反重力的作用一样,”勒布表示,“如果我们认为宇宙中充满具有负压力的物质,就可以解释宇宙的加速扩张……就像是我们制造一个虫洞所需要的那种一样。”当然,这两位科学家都认为,自然形成一个虫洞需要的奇异物质太多了,而且只有高度发达的文明才有可能收集足够的奇异物质,来维持虫洞的稳定。

新豪天地登录网址 6我们的宇航员,似乎真的凶多吉少。图片:Paramount Pictures and Warner Brothers Entertainment

当然其他的物理学家并不太相信这一观点。“我认为一个稳定的,可以穿行的虫洞的存在会让人十分困扰,因为这与已知的物理学定律相违背。”马尔达西那表示。北欧理论物理研究所的萨宾·霍森菲尔德(Sabine Hossenfelder)对此更加怀疑:“我们目前没有任何证据表明它(奇异物质)存在。实际上很多人都认为它不可能存在,因为那样的话真空就会不稳定。”即使奇异物质存在,想要漂亮地穿越虫洞,可能也不是那么容易的事情。实际的效果可能取决于虫洞周围的时空曲率,以及虫洞中的能量密度,霍森菲尔德表示:“这里发生的情况可能和在黑洞里发生的差不太多:潮汐力太大,试图穿越的人被撕碎。”

即使与电影有着直接的关联,对于是否存在可以穿越的虫洞这一问题,索恩依然持悲观态度,更不用提宇航员能否活着穿越它们了。“如果(虫洞)能够存在,我非常怀疑它们能否在宇宙中自然形成,”他在书中写道。但是《星际穿越》的编剧克里斯托夫·诺兰和乔纳森·诺兰还是得到了索恩的赞赏,努力讲述一个植根于科学事实的故事本身就值得肯定。

“这个故事已经彻底成为克里斯托弗和乔纳森的故事了。”在接受《连线》杂志采访时,索恩表示,“但是故事的精髓,拍摄一部从一开始就将科学植入的电影的这一目标,以及这其中了不起的科学知识,都得以完整的保留。”(编辑:Ent)

如果要把粒子加速到光速,就必须对它施加无穷大的能量,这就意味着质量也会变的无穷大,这很明显是不可能的。或许你会问,光不就以光速在真空中传播吗?那是因为,组成光的光子并没有质量。

要理解最新的虫洞研究,需要先看看虫洞研究的历史。

然而物理学家的确找到有一些实体可以超光速,但同时又不违反狭义相对论。

1935年,爱因斯坦与罗森在研究广义相对论的时候发现了“爱因斯坦与罗森桥”,这是一种不可穿越的虫洞——所谓“不可穿越”,就是不能在有限的时间内通过这个虫洞,所以这种虫洞在现实中并没有实际意义。

为了本研究的目的,科学家检验了爱因斯坦和Nathan Rosen在1935年所做的工作。为了扩展Schwarszchild和其他科学家寻找GR解决方案的工作,他们提出了时空中两个遥远点之间可能存在的“桥梁”(被称为“爱因斯坦-罗森桥”或“虫洞”),理论上可以允许物质和物体在它们之间通过。

介质中超光速的一种辐射

这种尴尬的局面一直持续了整整50年才有所改变。1985年,美国康奈尔大学的天文学家与科学作家卡尔·萨根(Carl Edward Sagan)写了一本科幻小说《接触》。这部小说描述了人类通过虫洞穿越到了距地球 26 光年的织女星附近,然后与外星文明接触,最后顺利返回地球。

到2013年,理论物理学家伦纳德·苏斯金德(Leonard Susskind)和胡安·马尔达塞纳(Juan Maldacena)将这一理论用作GR和“量子纠缠”的可能解决方案。这个理论被称为ER=EPR猜想,它表明虫洞就是为什么一个基本粒子的状态可以和它的伙伴纠缠在一起,即使它们相隔数十亿光年。

我们都知道,当一个物体运动比声音还快的时候,就会产生音爆。那么,理论上,如果有什么东西可以运动的比光速还快,那么理应产生类似的“光爆”现象。

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事实上,在日常生活中的一些仪器中,你就可以看到光爆的发生。这样的现象被称为切伦科夫辐射,这种辐射在核反应堆中会发出蓝辉光。

这部小说可以看成是人类第一次提出了“可穿越虫洞”的概念——所谓“可穿越虫洞”,意思就是说人类可以在有限的时间内穿越虫洞并返回。

这种辐射是由苏维埃科学家帕维尔•阿列克谢耶维奇•切伦科夫于1934年发现的,他因该发现被授予1958年的诺贝尔物理学奖。

在写这部小说的过程中,卡尔·萨根一开始也对这个领域也没有太多研究,他错误地把虫洞写成了黑洞。但他请教了他的一位老朋友——加州理工学院的物理学家基普·索恩(Kip Thorne)教授,后者建议他把黑洞换成虫洞来作为星际旅行的工具。

正是从这里,科学家雅弗里斯发展了他的理论,假设虫洞实际上可以被光粒子穿过。为了验证这一点,雅弗里斯在Ping Gao和Aron Wall(分别是哈佛大学的研究生和斯坦福大学的研究科学家)的帮助下进行了分析。

切伦科夫辐射之所以会发光是因为核反应堆被置于水下。在水下,光仅以0.75的光速在传播,但是在核反应堆里被制造的电子在水中会以超过光速的速度运行。

在和卡尔·萨根交流时,索恩知道黑洞不能用于星际旅行,于是他想到了他的导师约翰·惠勒(John Wheeler)在十几年前提出的“虫洞”概念。

他们发现,虽然理论上可以穿过虫洞,但这并不是我们所希望的宇宙捷径。正如Jafferis在AIP的一份新闻声明中所解释的那样,“穿过这些虫洞比直接进入要花更长的时间,所以它们对太空旅行不是很有用。”

带电粒子如果在介质(水或玻璃)中以超光速在传播时,就会产生冲击波,这些冲击波就会发出蓝辉光,但是有时候也可以发出紫外光。

但惠勒的虫洞概念也仅仅是一个概念,没有任何物理计算细节。所以索恩与他的学生迈克·莫里斯(Mike Morris)一起,开始用正统的广义相对论知识对虫洞物理学展开研究,并在两年后发布了研究论文。这篇论文发表在《美国物理杂志》(American Journal of Physics)上,标题是“时空中的虫洞及它们在星际旅行中的应用:讲授广义相对论的工具”(Wormhole in spacetime and their use for interstellar travel: A tool for teaching general relativity)。

基本上,他们的分析结果表明,黑洞之间的直接连接比虫洞连接要短。对于那些对星际旅行的前景感到兴奋的人来说,这听起来无疑是个坏消息,但好消息是,这个理论为量子力学领域提供了一些新的见解。

很明显,虽然这些粒子在介质中的运行速度超过光速,但是并没有打破宇宙的极限速度:299,792,458米每秒。

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“这项工作的真正意义在于它与黑洞信息问题的关系,以及重力和量子力学之间的联系,”Jafferis说。他提到的这个“问题”被称为黑洞信息悖论,这是自1975年以来天体物理学家一直在努力解决的问题,当时斯蒂芬·霍金发现黑洞有温度,并且缓慢地泄漏出霍金辐射(实际上这个辐射还没被证实过)。

当规则不再适用

这张图片来自索恩的虫洞论文,直线表示虫洞的一个入口在时空中的轨迹,曲线是虫洞的出口在时空中的轨迹。世界线上的阿拉伯数字表示出口与入口当地的时间。

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爱因斯坦的狭义相对论表示,任何带质量的物体都不能超过光速,从目前来看,我们的宇宙的确服从这个规则。但是,如果有些东西并没有质量.....

虫洞是连接出口与入口的一个隧道,在索恩的虫洞模型中,虫洞很短,穿越这个虫洞所需要的时间可以近似为零。在这种情况下,当一个人从虫洞的入口进入,再从虫洞的出口出来,随后他在沿着虫洞返回入口,他有可能穿越到自己的过去,这将引起祖父悖论。

我们已经知道,光子本身以光速传播,那是因为它并不具有质量。难道宇宙中只有光子没有质量?上个世纪,物理学家根据标准模型认为中微子也没有质量,但是后来发现中微子也包含着少许的质量。几年前,意大利的一个粒子实验中心因为仪器的问题居然探测出中微子以超光速传播。这边并不是想说中微子。

索恩与他的学生在论文中提出的观点大致是这样的:爱因斯坦的引力场方程的左边是空间曲率,而右边是能量动量张量。对爱因斯坦引力方程的分析表明,要想产生可穿越的虫洞,引起这种时空弯曲的物质所对应的能量动量张量必须违反平均类光能量条件。也就是说,想要制造出一个人类可以往返穿越的虫洞,必须消耗巨大的负质量物质来撑住这个隧道——否则这个隧道很容易“塌方”。根据爱因斯坦的狭义相对论,质量与能量是等价的,所以负质量意味着负能量——但宇宙中根本就不存在大规模的负能量,所以要想打开可穿越的虫洞似乎是不可能的。

这个悖论与黑洞是如何保存进入黑洞的任何信息有关。科学家认为任何吸积到表面的物质即使会被压缩到奇点,但由于时间膨胀,物质在压缩时的量子态会被保存下来。简单来说它会在时间中冻结。

宇宙中除了光子是否还有其它没有质量的实体呢?根据定义,在宇宙中空的空间中没有包含任何物质,所以也没有质量。这就意味着不包含任何物质的真空可以膨胀的比光速还快。这样的情形发生在大爆炸后的暴涨时期,暴涨理论是1980年代阿兰•古斯和安德烈•林德提出的一个理论。暴涨是在一个极短的时间内,宇宙以超光速膨胀的一个时期。

根据广义相对论,违反平均类光能量条件是所有可穿越虫洞的先决条件。换句话说,如果要想穿越虫洞,相当于要求经过虫洞的类光测地线(也就是以光速运动的粒子)不能在虫洞里汇聚,而这需要用到印度的一位着名物理学家瑞查德符里(Amal Kumar Raychaudhuri)提出的方程。通过瑞查德符里的方程可以看出,在虫洞中,光线只有在物质场的能量动量张量违反平均类光能量条件下才不会撞上奇点——在这种情况下,聚焦在虫洞一端的光线在离开虫洞的另一端时会散开,这样才可以顺利从虫洞中逃出来。

但是如果黑洞以辐射的形式失去质量并最终蒸发,这些信息最终将会丢失。通过发展一种理论,光可以穿过黑洞,这项研究可以发展出一种解决这个悖论的方法,即霍金辐射实际上来自时空的另一个区域。

鬼魅般的超距作用

但是,这个世界上不存在违反平均类光能量条件的物质。因此,在这个意义上,虫洞就算能因为量子效应瞬间产生,也往往会自毁。正因为虫洞天生就喜欢自我崩塌,所以到了后来,索恩也感觉到虫洞很难实现,甚至不可能存在,于是他说“虫洞需要有高级文明有意识的去创造和维持。”随后,索恩就去研究引力波了。

它也可能帮助那些试图发展一种将引力与量子力学统一起来的理论的科学家,即量子引力,。这是因为Jafferis使用量子场论工具来假设可穿越黑洞的存在,从而消除了对外来粒子和负质量的需要,它提供了一个关于视界后面区域的因果探知,一个观察时空内部观察者体验的可以从外部进入的窗口,它将教会我们关于规范重力对应关系、量子重力的深层次知识,甚至可能是一种新的量子力学表述方式。

量子纠缠听起来好像很复杂和吓人,但其实只不过是亚原子粒子之间的相互交流。

新虫洞研究:不可穿越的虫洞等价于量子纠缠

但是理论物理的突破可能是一把双刃剑,一只手拿回来,另一只手拿走。因此,尽管这项研究可能给超光速旅行的梦想泼了更多冷水,但它很可能帮助我们解开宇宙中一些更深层次的谜团。谁知道呢?也许其中的一些知识会让我们找到一种方法来绕过这个被称为狭义相对论的绊脚石!你说呢?

如果两个电子非常靠近,根据量子理论,它们可以很和谐的振动。现在,如果把两个电子分开至光年的距离,它们仍然会保持及时的交流。如果你轻微的摇晃一个电子,另一个电子会“立即”感应到这个电子的振动,这里的立即意味着超光速。

最近几十年来,索恩把兴趣点从虫洞研究转移到了引力波探测,并且在2017年因为人类首次探测到引力波获得了诺贝尔物理学奖。

爱因斯坦认为这是量子力学不完备的一个证据,因为这种瞬时感应违反了速度的极限。为此,爱因斯坦、波多尔斯基和罗森一起提出了一个思想实验来证明量子力学的错误,该思想实验被成为EPR悖论。他称量子纠缠为“鬼魅般的超距作用”。现如今,量子纠缠已经成为了研究量子密码的基础。

但虫洞的研究并没有停止。而且,虫洞研究的基本思想在近10年已经发生了很大的改变。

星际旅行的利器

虫洞研究的新思想来源可以概括为一个物理公式,那就是由普林斯顿高等研究院的胡安·马尔达西那(Juan Maldacena)和斯坦福大学的伦纳德·萨斯坎德(Leonard Susskind)在2013年提出的“ER = EPR”。这个公式第一次把虫洞与量子纠缠联系在了一起。

虫洞这个概念主要是通过《星际穿越》这部电影走进大众的视线中。

ER 的全称为 Einstein-Rosen桥,这在本文一开始我们已经提到过。这是爱因斯坦和纳森·罗森(Nathan Rosen)在研究广义相对论方程时提出的一种不可穿越的虫洞。

虽然爱因斯坦在狭义相对论中对星际旅行设下了一个巨大速度障碍,但是他在1915年发表的广义相对论则为星际旅行带来了全新的希望。

而 EPR 则是 Einstein-Podolsky-Rosen(爱因斯坦-波多尔斯基-罗森)这三位科学家的姓名的首字母缩写。波多尔斯基(Boris Podolsky)是一名俄籍美国物理学家。EPR 在物理中描述的是一对相互纠缠的粒子。

狭义相对论将质量和能量联姻,而广义相对论则将时间和空间编织在一起。

本来,ER与这 EPR两个概念风马牛不相及,因为爱因斯坦-罗森桥是描述大尺度宏观现象的广义相对论的产物,而 EPR 对则是对微观世界的量子纠缠行为的描述,而且量子纠缠在大尺度上很容易因为退相干而消失。

唯一能够打破光速障碍的可行方法或许是通过广义相对论将时空扭曲,这样的扭曲也就是所谓的“虫洞”。在理论上,通过弯曲时空,可以连接两个相距甚远的地方,从而实现突破宇宙速度极限,在短时间内就可进行星际旅行。

但到了2013年,曾因提出ADS/CFT对偶理论而名声大噪的马尔达西那与萨斯坎德抛出了重磅炸弹“ER

EPR”。如果把黑洞视为量子系统而不是经典物体,那么就可能出现由两个高度纠缠的黑洞组成的系统。对这种纠缠态进行仔细研究,就会发现这种纠缠态对应的时空可以看成一个不可穿越的虫洞连接了两个黑洞,这就是“ER = EPR”的真正含义。

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绘图:Malcolm Godwin

值得注意的是,ER与EPR 这两篇论文的作者里,都有爱因斯坦和罗森,而且都是在1935年发表的,前后相差2个月。更加令人惊讶的是,80年后,马尔达西那与萨斯坎德发现,这两篇文章本质上说的是同一件事情。他们推测,任何一对纠缠量子系统都是由爱因斯坦-罗森桥连接的。

在ER=EPR的基础上,哈佛大学的丹尼尔·贾弗里斯(Daniel Jafferis)与高苹,以及来自斯坦福大学的阿伦·沃尔(Aron Wall)开始了新虫洞研究。高苹是一位年轻的中国科学家,他从清华大学物理系毕业后,就去了哈佛大学物理系攻读博士学位。

贾弗里斯、高苹以及沃尔提出的虫洞方案与索恩的不同,前者的新虫洞不适合长距离的星际旅行,因为他们所刻画的虫洞连接的是两个距离很近的黑洞。而且,“穿过这些虫洞比直接旅行更慢”。他们对长距离的星际旅行持悲观态度。

新虫洞是怎么产生的?

但有一点是可以肯定的,那就想要打开可穿越的虫洞,必须有大量的负质量。问题的关键在于,负质量物质从什么地方来。

负质量在经典物理学的意义上是不可能出现的,但是,量子力学却可以产生负质量。最着名的例子是卡西米尔效应——比如两块平行金属板之间的电磁真空状态,理论与实验结果都表明,金属板之间的真空态具有负能量,这被称为卡西米尔能量。这种负能量可以被视为负质量。因此,卡西米尔效应说明,量子力学可以实现负质量,并有助于创造一个可穿越的虫洞。正如前文描述的那样,可穿越虫洞的技术细节是要得到一个违反平均类光能量条件的能量动量张量,换句话说,可穿越虫洞的维持要求具有负的平均类光能量的物质场(因为根据爱因斯坦的广义相对论,物质场引起时空的弯曲)。

三年前,贾弗里斯、高苹与沃尔研究了两个永恒的BTZ黑洞边界的相互作用之后,他们发现了在这里可以产生一个具有负平均类光能量的量子物质能量动量张量,这个情况等价于出现了负质量,所以其反引力作用可以使爱因斯坦-罗森桥勉强可穿越(BTZ黑洞是一种反德西特时空中的二维黑洞,但他们的结论对三维空间中的黑洞同样成立)。这时,虫洞就是可穿越的,如果一个人跳进一个黑洞,他可以从另一个黑洞逃脱。

高苹在接受采访时说,“量子纠缠等价于不可穿越的虫洞,但加上负质量物质后,这个虫洞就变得可穿越了。所以两个黑洞实际上在视界之后是连接起来的。如果一个人跳进第一个黑洞的时候速度足够快,那么它实际上很接近第二个黑洞的视界,虽然这个人还在黑洞里面。然后,我们用量子的相互作用产生负能量的物质,当这个负能量的物质进入黑洞的时候,在黑洞里的人一旦碰到负能量物质,他就可以被推出来。”

高苹强调,虽然这两个黑洞在空间上的距离很近,但实际上连接它们的虫洞非常长。

新虫洞不会“超光速”,但可以躲避星际战争

在传统的虫洞研究中,一个核心的问题在于,如果一个人穿越虫洞的时间太短,而在空间上移动很大的距离。比如在1秒钟内从地球穿越到了银河系中心,那么这在外部世界看来就是超光速的运动。这种穿越行为一定会违反相对论的因果性,最后产生悖论。

1988年,索恩证明了如果虫洞很短,那么人就通过虫洞回到过去。这是一个非常有趣的结果,但这会引发悖论。因为如果通过虫洞的时间很短,那么根据简单的狭义相对论就可以证明利用虫洞就可以做出时间机器回到过去,但这个时候会产生因果性的问题,比如一个人可以回到过去杀了祖父,这样就会产生“祖父悖论”。

“祖父悖论”说的是,假如一个叫小王的人可以回到过去,那么他就可以杀死自己的爷爷,当时他爷爷还只是一个儿童,没有结婚生子,所以小王的父亲就不会出生,因此小王没有父亲,小王也不能出生,那他又是怎么回到过去杀死自己的爷爷的呢?因此这是一个悖论。这个悖论说明,回到过去是不可能的。

因此,从祖父悖论这种逻辑推理可以看出,可穿越的虫洞就算存在,也一定要避免产生祖父悖论这样的因果性疑难。

贾弗里斯、高苹和阿伦·沃尔的理论是通过一些量子效应,使得不可穿越的虫洞变得可以穿越,但他们的新虫洞并没有破坏因果性,因为在他们的模型中,虫洞非常长,在虫洞里旅行需要花费很长的时间——因为在虫洞中穿行的时间比在虫洞外更长,所以这不会引起祖父悖论。

高苹在接受采访时表示,“两个黑洞可以由虫洞连接,这两个黑洞之间的距离很近,同时它们之间存在很强的量子纠缠。我们的研究表明,连接这两个黑洞的虫洞非常长,人类在这个虫洞中旅行需要花费很长的时间,所以在虫洞中躲避星际战争是可能的。”

因此,新虫洞并不是做星际旅行的最佳选择,相反,新虫洞可以被看成是一个世外桃源,是一个可以长时间呆在里面躲避外部星际战争的桃花岛。

原始论文:

Traversable Wormholes via a Double Trace Deformation

1988年,理论物理学家基普•索恩,也就是星际穿越的科学顾问,利用爱因斯坦的广义相对论方程语言了虫洞对时空旅行的可行性。但是,为了可以实现虫洞旅行,这些虫洞需要一些非常奇异的物质使他们之间能够打开连通通道。基普•索恩在《星际穿越》一书中写道,感谢量子物理定律的诡异,这样的奇异物质是可以存在的。

当索恩在1988年发表稳定虫洞的理论时,他呼吁物理界帮助他一起来确定这样的奇异粒子是否可以在宇宙中存在,以支持虫洞的可行性。

30年来,虫洞的研究吸引了许多的物理学家投身其中,但是,我们仍然不知道答案。现在,事情看起来并不是很妙,我们离最终答案还有很长的一段路要走。

文/Zwicky/原理(ID:principia1687)

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编辑:科学研究 本文来源:虫洞不能让你回到过去,来自常春藤盟校的科学

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