脑部故障

一个忠实地服从自己理性的人必须准备忍受殉道的命运

 
   

虫洞与时空隧道

丝袜美女:


 


       虫洞,又称爱因斯坦-罗森桥,是宇宙中可能存在的连接两个不同时空的狭窄隧道。虫洞是1916年奥地利物理学家弗莱姆首次提出的概念,1930年代由爱因斯坦及罗森在研究引力场方程时假设,认为透过虫洞可以做瞬时间的空间转移或者做时间旅行。迄今为止,科学家们还没有观察到虫洞存在的证据,一般认为这是由于很难和黑洞相区别。


        为了与其他种类的虫洞进行区分,例如量子态的量子虫洞及弦论上的虫洞,一般通俗所称之“虫洞”应被称为“时空虫洞”,量子态的量子虫洞一般被称为“微型虫洞”,两者有很大的区分。


        黑洞有一个特性,就是会在另一边得到所谓的“镜射宇宙”。爱因斯坦并不重视这个解,因为我们根本不可能通行。于是,连接两个宇宙的“爱因斯坦—罗森桥”被认为只是个数学技俩。


        但是,在1963年时,新西兰的数学家克尔的研究发现,假设任何崩溃的恒星都会旋转,则形成黑洞时,将会成为动态黑洞,史瓦西的静态黑洞并不是最佳的物理解法。然而,实际上恒星会变成扁平的结构,不会形成奇点。也就是说重力场并非无限大。这得到了一个惊人的结论,如果将物体或太空船沿着旋转黑洞的旋转轴心发射进入,原则上,它可能可以熬过中心的重力场,并进入镜射宇宙。如此一来,爱因斯坦—罗森桥就如同连接时空两个区域的通道,也就是“虫洞”。


        理论上,虫洞是连结白洞和黑洞的多维空间隧道,是无处不在,但转瞬即逝的。不过有人假想一种奇异物质可以使虫洞保持张开。也有人假设如果存在一种叫做幻影物质的奇异物质的话,因为其同时具有负能量和负质量,因此能创造排斥效应以防止虫洞关闭。这种奇异物质会使光发生偏转,成为发现虫洞的信号。但是这些理论存在过多未经测试的假设,很难令人信服。


        由爱因斯坦引力场理论求解得到。简单地说,“虫洞”就是连接宇宙遥远区域间的时空细管。暗物质维持着虫洞出口的敞开。虫洞可以把平行宇宙和婴儿宇宙连接起来,并提供时间旅行的可能性。虫洞也可能是连接黑洞和白洞的时空隧道,截至2012年其存在性尚未确认。


        早在19世纪50年代,已有科学家对“虫洞”作过研究,由于当时历史条件所限,一些物理学家认为,理论上也许可以使用“虫洞”,但“虫洞”的引力过大,会毁灭所有进入的东西,因此不可能用在宇宙航行上。


      “瞬间移动”的可能,如同超时空转换。随着科学技术的发展,新的研究发现,“虫洞”的超强力场可以通过“负能量”来中和,达到稳定“虫洞”能量场的作用。科学家认为,相对于产生能量的“正物质”,“反物质”也拥有“负质量”,可以吸去周围所有能量。像“虫洞”一样,“负质量”也曾被认为只存在于理论之中。不过,目前世界上的许多实验室已经成功地证明了“负质量”能存在于现实世界,并且通过航天器在太空中捕捉到了微量的“负质量”。据科学家猜测,宇宙中充斥着数以百万计的“虫洞”,但很少有直径超过10万公里的,而这个宽度正是太空飞船安全航行的最低要求。“负质量”的发现为利用“虫洞”创造了新的契机,可以使用它去扩大和稳定细小的“虫洞”。科学家指出,如果把“负质量”传送到“虫洞”中,把“虫洞”打开,并强化它的结构,使其稳定,就可以使太空飞船通过。


        虫洞的概念最初产生于对史瓦西解的研究中,物理学家在分析白洞解的时候,通过一个爱因斯坦的思想实验,发现宇宙时空自身可以不是平坦的。如果恒星形成了黑洞,那么时空在史瓦西半径,也就是视界的地方与原来的时空垂直。在不平坦的宇宙时空中,这种结构就意味着黑洞视界内的部分会与宇宙的另一个部分相结合,然后在那里产生一个洞。这个洞可以是黑洞,也可以是白洞。而这个弯曲的视界,就叫做史瓦西喉,它就是一种特定的虫洞。自从在史瓦西解中发现了虫洞,物理学家们就开始对虫洞的性质发生了兴趣。   


        虫洞连接黑洞和白洞,在黑洞与白洞之间传送物质。在这里,虫洞成为一个爱因斯坦—罗森桥,物质在黑洞的奇点处被完全瓦解为基本粒子,然后通过这个虫洞(即爱因斯坦—罗森桥)被传送到白洞并且被辐射出去。虫洞还可以在宇宙的正常时空中显现,成为一个突然出现的超时空管道。理论推出的虫洞还有许多特性,限于篇幅,不再赘述。


        目前对黑洞、白洞和虫洞的本质了解还很少,它们还是神秘的东西,很多问题仍需要进一步探讨。目前天文学家已经间接地找到了黑洞,但白洞、虫洞并未真正发现。虫洞也是霍金构想的宇宙期存在的一种极细微的洞穴。美国科学家对此做了深入的研究。目前的宇宙中,“宇宙项”几乎为零。所谓的宇宙项也称为“真空的能量”,在没有物质的空间中,能量也同样存在其内部,这是由爱因斯坦所导入的。宇宙初期的膨胀宇宙,宇宙项是必须的,而且,在基本粒子论里,也认为真空中的能量是自然呈现的。那么,为何目前宇宙的宇宙项变为零?柯尔曼说明,在爆炸以前的初期宇宙中,虫洞连接着很多的宇宙,很巧妙地将宇宙项的大小调整为零。结果,由一个宇宙可能产生另一个宇宙,而且,宇宙中也有可能有无数个这种微细的洞穴,它们可通往一个宇宙的过去及未来,或其他的宇宙。旋转的或带有电荷的黑洞内部连接一个相应的白洞,可以跳进黑洞而从白洞中跳出来。这样的黑洞和白洞的组合叫做虫洞。最后,即使虫洞存在并且是稳定的,穿过它们也是十分不愉快的。贯穿虫洞的辐射(来自附近的恒星,宇宙的微波背景等等)将蓝移到非常高的频率。当试着穿越虫洞时,将被这些X射线和伽玛射线烤焦。虫洞的出现,几乎可以说是和黑洞同时的。


        虫洞有几种说法:   


        一是空间中的隧道,它就像一个球体,要是沿球面走就远。但如果走的是球里的一条直径就近,虫洞就是直径。   


        二是黑洞与白洞的联系。黑洞可以产生一个势阱,白洞则可以产生一个反势阱。宇宙是三维的,将势阱看作第四维,那么虫洞就是连接势阱和反势阱的第五维。假如画出宇宙、势阱、反势阱和虫洞的图像,它就像一个克莱因瓶——瓶口是黑洞,瓶身和瓶颈的交界处是白洞,瓶颈是虫洞。   


        三是时间隧道,根据爱因斯坦所说的可以进行时间旅行,但只能看,却无法改变发生的事情,因为时间是线性的,事件就是一个个珠子已经穿好,无法改变珠子也无法调动顺序。   


        到现在为止,讨论的都是普通“完美”黑洞。细节上,讨论的黑洞都不旋转也没有电荷。如果考虑黑洞旋转同时/或者带有电荷,事情会变的更复杂。特别的是,有可能跳进这样的黑洞而不撞到奇点。结果是,旋转的或带有电荷的黑洞内部连接一个相应的白洞,可以跳进黑洞而从白洞中跳出来。这样的黑洞和白洞的组合叫做虫洞。   


        白洞有可能离黑洞十分远,实际上它甚至有可能在一个“不同的宇宙”——那就是一个时空区域,除了虫洞本身,完全和我们在的区域没有连接。一个位置方便的虫洞会给我们一个方便和快捷的方法去旅行很长一段距离,甚至旅行到另一个宇宙。或许虫洞的出口停在过去,这样可以通过它而逆着时间旅行。   但在认定那个理论正确而打算去寻找它们之前,应该知道两件事。首先,虫洞几乎不存在。正如说到白洞时,只因为它们是方程组有效的数学解并不表明它们在自然中存在。特别的,当黑洞由普通物质坍塌形成(包括认为存在的所有黑洞)并不会形成虫洞。如果掉进其中的一个,并不会从什么地方跳出来。会撞到奇点,那是唯一可去的地方。还有,即使形成了一个虫洞,它也被认为是不稳定的。即使是很小的扰动(包括尝试穿过它的扰动)都会导致它坍塌。   


        在史瓦西发现了史瓦西黑洞以后,理论物理学家们对爱因斯坦场方程的史瓦西解进行了几乎半个世纪的探索。包括上面说过的克尔解、雷斯勒——诺斯特朗姆解以及后来的纽曼解,都是围绕史瓦西的解研究出来的成果。这里将介绍的虫洞,也是史瓦西的后代。虫洞在史瓦西解中第一次出现,是当物理学家们想到了白洞的时候,通过一个爱因斯坦的思想实验,发现时空可以不是平坦的,而是弯曲的。在这种情况下,会十分惊奇的发现,如果恒星形成了黑洞,那么时空在史瓦西半径,也就是视界的地方是与原来的时空完全垂直的。在不是平坦的宇宙时空中,这种结构就意味着黑洞的视界内的部分会与宇宙的另一个部分相结合,然后在那里产生一个洞。这个洞可以是黑洞,也可以是白洞。自从在史瓦西解中发现了虫洞,物理学家们就开始对虫洞的性质感到好奇。   


        先来看一个虫洞的经典作用,连接黑洞和白洞,成为一个爱因斯坦——罗森桥,将物质在黑洞的奇点处被完全瓦解为基本粒子,然后通过这个虫洞(即爱因斯坦——罗森桥)被传送到这个白洞的所在,并且被辐射出去。


             虫洞示意图


                    虫洞示意图


        黑洞和黑洞之间也可以通过虫洞连接,当然,这种连接无论是如何的强,它还是仅仅是一个连通的“宇宙监狱”。虫洞不仅可以作为一个连接洞的工具,它还在宇宙的正常时空中出现,成为一个突然出现在宇宙中的超空间管道。虫洞没有视界,它有的仅仅是一个和外界的分解面。虫洞通过这个分解面和超空间连接,但是在这里时空曲率不是无限大。就好比在一个在平面中一条曲线和另一条曲线相切,在虫洞的问题中,它就好比是一个四维管道和一个三维的空间相切,在这里时空曲率不是无限大。因而现在可以安全地通过虫洞,而不被巨大的引力所摧毁。


        利用相对论在不考虑一些量子效应和除引力以外的任何能量的时候,得到了一些十分简单、基本的关于虫洞的描述。这些描述十分重要,但是由于研究的重点是黑洞,而不是宇宙中的洞。


        虫洞有些什么性质呢?最主要的一个,是相对论中描述的,用来作为宇宙中的高速火车。但是,虫洞的另一个重要的性质,也就是量子理论告诉我们,虫洞不可能成为一个宇宙的高速火车。虫洞的存在,依赖于一种奇异的性质和物质,而这种奇异的性质,就是负能量。只有负能量才可以维持虫洞的存在,保持虫洞与外界时空的分解面持续打开。当然,狄拉克在芬克尔斯坦参照系的基础上,发现了参照系的选择可以帮助我们更容易或者更难地来分析物理问题。同样的,负能量在狄拉克的另一个参照系中,是非常容易实现的,因为能量的表现形式和观测物体的速度有关。这个结论在膜规范理论中同样起到了十分重要的作用。根据参照系的不同,负能量是十分容易实现的。在物体以近光速接近虫洞的时候,在虫洞的周围的能量自然就成为了负的。因而以接近光速的速度可以进入虫洞,而速度离光速太大,那么物体是无论如何也不可能进入虫洞的。这个也就是虫洞的特殊性质之一。


        虫洞的自然产生机制有两种,其一,是黑洞的强大引力能。其二,是克尔黑洞的快速旋转,其伦斯——梯林效应将黑洞周围的能层中的时空撕开一些小口子。这些小口子在引力能和旋转能的作用下被击穿,成为一些十分小的虫洞。这些虫洞在黑洞引力能的作用下,可以确定它们的出口在那里,但是现在还不可能完全完成,因为量子理论和相对论还没有完全结合。但是许多经典物理学做不到的事情在二十世纪初随着量子理论的发展却变成了可能。负能量的存在很幸运地正是其中一个例子。 在量子理论中,真空不再是一无所有, 它具有极为复杂的结构,每时每刻都有大量的虚粒子对产生和湮灭。一九四八年, 荷兰物理学家卡什米尔研究了真空中两个平行导体板之间的这种虚粒子态,结果发现它们比普通的真空具有更少的能量, 这表明在这两个平行导体板之间出现了负的能量密度。在此基础上他发现在这样的一对平行导体板之间存在一种微弱的相互作用,这一发现被称为卡什米尔效应。将近半个世纪后的一九九七年, 物理学家们在实验上证实了这种微弱的相互作用,从而间接地为负能量的存在提供了证据。除了卡什米尔效应外, 二十世纪七八十年代以来,物理学家在其它一些研究领域也先后发现了负能量的存在。因此,种种令人兴奋的研究都表明, 宇宙中看来的确是存在负能量物质的。但不幸的是, 迄今所知的所有这些负能量物质都是由量子效应产生的,因而数量极其微小。以卡什米尔效应为例,倘若平行板的间距为一米, 它所产生的负能量的密度相当于在每十亿亿立方米的体积内才有一个(负质量的) 基本粒子!而且间距越大负能量的密度就越小。 其它量子效应所产生的负能量密度也大致相仿。因此在任何宏观尺度上由量子效应产生的负能量都是微乎其微的。另一方面,物理学家们对维持一个可穿越虫洞所需要的负能量物质的数量也做了估算, 结果发现虫洞的半径越大,所需要的负能量物质就越多。 具体地说,为了维持一个半径为一公里的虫洞所需要的负能量物质的数量相当于整个太阳系的质量。如果说负能量物质的存在给利用虫洞进行星际旅行带来了一丝希望,那么这些更具体的研究结果则给这种希望泼上了一盆无情的冷水。 因为一方面迄今所知的所有产生负能量物质的效应都是量子效应,所产生的负能量物质即使用微观尺度来衡量也是极其微小的。另一方面维持任何宏观意义上的虫洞所需的负能量物质却是一个天文数字,这两者之间的巨大鸿沟无疑给建造虫洞的前景蒙上了浓重的阴影。


        “虫洞”是广义相对论中出现的概念,是指宇宙中一种奇特的天体。尽管目前没有实验证据表明虫洞的真实存在,但科学家预测它以时空端点之间的捷径形式而存在,并想像虫洞连接着空洞的太空区域。然而,最新一项研究表明虫洞可能存在于遥远的恒星之间。它们并非时空隧道,虫洞中包含着接近完美程度的流体,可在两颗恒星之间来回流动,这种流体特征或许是证实虫洞存在的迹象。这项最新研究观点使科学家们置疑是否虫洞可能存在于不同的普通恒星和中子星。比如那些正常的恒星和中子星,但它们可能被探测到差异特征。为了调查这些差异特征,研究人员设计了一个普通恒星中心带有通道的模型,宇宙物质可在该通道中穿行。两颗恒星共同分享一个虫洞将具有独特的连接性,这是由于虫洞具有两个通道口。由于虫洞中的奇特物质能够像恒星之间的液体一样流动,两颗恒星将出现不同寻常的脉动方式,这种脉动将释放不同类型的能量,比如超强能量。   


        科学家提出的两种虫洞,一个用于在宇宙进行星际和星系际旅行,一个用于往返于不同宇宙之间。   虫洞是一条可以进行时空穿梭的神奇隧道,让星系际旅行不再是一个梦想。科学家认为虫洞极其不稳定,如果没有一种带有负能量的奇异物质让洞口保持张开状态,虫洞会在瞬间突然闭合。然而,根据德国和希腊物理学家进行的研究,虫洞无需借助这种奇异物质便可处于张开状态。这一研究发现意味着人类可能在将来的某一天在太空中发现虫洞。也许,一个先进程度远超过人类的文明已经借助虫洞构成的星系际地铁系统往返于不同星系之间。黑洞、白洞、虫洞仍然是目前宇宙学中“时空与引力”的悬而未解之谜。黑洞是否真实存在,科学家们也只是得到了一些间接的旁证。当前的观测及理论也给天文学和物理学提出了许多新问题,例如,一颗能形成黑洞的冷恒星,当它坍缩时,其密度已然会超过原子核、核子、中子等等,如果再继续坍缩下去,中子也可能被压碎。那么,黑洞中的物质基元究竟是什么呢?有什么斥力与引力对抗才使黑洞停留在某一阶段而不再继续坍缩呢?如果没有斥力,那么黑洞将无限地坍缩下去,直到体积无穷小,密度无穷大,内部压力也无穷大,而这却是物理学理论所不允许的。克尔黑洞的快速旋转,其伦斯—梯林效应将黑洞周围的能层中的时空撕开一些小口子,这些小口子在引力能和旋转能的作用下被击穿,成为一些十分小的虫洞。这些虫洞在黑洞引力能的作用下,可以确定它们的出口在那里,但是现在还不可能完全完成。虫洞的性质是相对论中描述的,用来作为宇宙中的高速火车。虫洞的另一个重要的性质,也就是量子理论提出的,虫洞不可能成为一个宇宙的高速火车。同样的,负能量在狄拉克的另一个参照系中,是非常容易实现的,因为能量的表现形式和观测物体的速度有关。这个结论在膜规范理论中同样起到了十分重要的作用。根据参照系的不同,负能量是十分容易实现的。在物体以近光速接近虫洞的时候,在虫洞的周围的能量自然就成为了负的。因而以接近光速的速度可以进入虫洞,而速度离光速太大,那么物体是无论如何也不可能进入虫洞的。这个也就是虫洞的特殊性质之一。


       在暴涨的量子理论中,虫洞的性质又有了十分重要的变化。在黑洞中的虫洞,也就是史瓦西喉和奇点周围形成的子宇宙。黑洞周围的量子真空涨落在黑洞巨大引力的作用下,会被黑洞的引力能“喂”大,成为能量辐射。这种能量会毫不留情地将一切形式的虫洞摧毁。在没有黑洞包围的虫洞中,由于同样的没有黑洞巨大引力的“喂养”,虫洞本身也不可能开启太久。虫洞有很大几率被随机打开,但是有更大的几率突然消失。虫洞打开的时间十分短,仅仅是几个普朗克时间。在如此短的“寿命”中,即使是光也不可能走完虫洞的一半旅途,而在半路由于虫洞的消失而在整个时空中消失,成为真正的四维时空组旅行者。而且,在没有物体通过虫洞的时候,虫洞还比较“长寿”,而一旦有物体进入了虫洞,如果这个物体是负能量的,那么还好,虫洞会被撑开,但是如果物体是正能量的,那么虫洞会在自己“自然死亡”以前就“灭亡”掉。而在宇宙中,几乎无时无刻不存在能量辐射通过宇宙的每一个角落,而这些辐射都是正能量的,因此几乎可以肯定,在自然情况下是不存在虫洞的。


        1955年,曾经提出黑洞概念的美国物理学家惠勒证明有可能将宇宙中的两处不同区域连接起来,并以此实现高速的星际旅行。他正式采用了“虫洞”这一名字。但他的这一虫洞版本具有非常不稳定的缺陷,即便是让一颗光子进入其内部都将立即引起黑洞视界的形成并导致虫洞关闭。


       到2012年为止,所有的虫洞理论提出的基础都是以爱因斯坦的广义相对论不谬为前提的。但事实上这样的前提或许并不是牢固的。首先,这一理论在黑洞视界范围内将会失效,并且也无法用于解释宇宙极早期的现象。而描述微观世界的量子理论却取得了巨大的成功,它几乎可以解释一切事物,从地面为什么是坚硬的,到太阳为什么会发光。很多研究者都认为,爱因斯坦的相对论一定是某种更加深刻理论的一种近似。人们对于量子理论的最初探索出现在1921年。当时物理学家卡鲁扎和克莱因受到爱因斯坦理论的启发,两人进一步发展了这一理论,并证明引力和电磁力实际上都可以用一个五维空间的弯曲来进行解释。在那之后,弦理论更是指出,自然界中的所有4种基本力都可以用10维空间的弯曲来进行解释。但当维度超过四维时,这一强大的理论将禁止虫洞的存在,除非有强大的负能量可以维持它的开放状态。


        2002年,俄罗斯莫斯科引力和基础测量中心的布罗尼科夫和韩国首尔梨花女子大学的金宋万共同提出了一种新的可能性,他们提出了一种不需要负能量物质维持开放的虫洞方案。他们基于膜理论原理提出了一系列新的虫洞备选方案。膜理论认为我们所处的世界是一座四维孤岛,它漂浮在更高的维度之海中。不需要任何幽灵般的物质就可以让虫洞保持任意大小,这一理论体系最简略的形式名为DEGB理论。如果更高的维度处于卷缩状态,它们可以变得非常微小,这也就解释了为何通常无法直接感受到它们存在的原因。而让弦理论中涉及的另外6个维度卷缩的过程又会形成几个新的力场。和广义相对论将引力概括为时空的弯曲类似,DEGB理论中的引力同样有赖于时空和更高维度上的弯曲。将这种理论应用于引力方程之后,克莱豪斯和他的同事们找到了有关虫洞的一个解它不需要任何负能量来维持自身的开放, 或者更加准确的说,是根本不需要任何物质来维持自身的开放。




      美国著名科学家布凯里教授经过研究分析,对“时空隧道”提出了以下几点理论假说:    


      1、“时空隧道”是客观存在,是物质性的,它看不见,摸不着,对于人类生活的物质世界,它既关闭,又不绝对关闭——偶尔开放。    


      2、“时空隧道”和人类世界不是一个时间体系,进入另一套时间体系里,有可能回到遥远的过去,或进入未来,因为在“时空隧道”里,时间具有方向性和可逆性,它可以正转,也可倒转,还可以相对静止。    


      3、对于地球上物质世界,进入“时空隧道”,意味着神秘失踪;而从“时空隧道”中出来,又意味着神秘再现。由于“时空隧道”里时光可以相对静止,故而失踪几十年就像一天或半天一样。


      著名的俄罗斯科学家克兹列夫实施了一项试验来证明从将来返回到过去是可能的。他通过假设即时的信息可以通过时间的物理特性进行传送来证明他的观点。克兹列夫甚至假定,“时间可以完成工作并且能够产生能量”。一位美国物理学家也得出了这样的结论,时间在这个世界出现之前就已经存在。


      美国物理学家斯内法克教授认为,在空间存在着许多一般人用眼睛看不到的、然而却客观存在的“时空隧道”,历史上神秘失踪的人、船、飞机等,实际上是进入了这个神秘的“时空隧道”。有的学者认为,“时空隧道”可能与宇宙中的“黑洞”有关。“黑洞”是人眼睛看不到的吸引力世界,然而却是客观存在的一种“时空隧道”。人一旦被吸入“黑洞”中,就什么知觉也没有。当他回到光明世界时只能回想起被吸入以前的事,而对进入“黑洞”遨游无论多长时间,他都一概不知。


      在激烈的争议中,学者们对“时空隧道”也提出了几种其他理论假说:其一是“时间停止”说,对于地球上的物质世界,进入“时空隧道”后就意味著失踪,而重新从中出来时又意味著神秘再现。这表明“时空隧道”与地球不是一个时间体系,它的时光是相对静止的,因而无论失踪三年五载,或者几十年数百载都如同一时一日,抑或从失踪到再现的时间为零。其二是“时间可逆”说,即“时空隧道”中的时间是倒转的。失踪者进入这套时间体系里,有可能回到遥远的过去,然而当时间再次出现逆转时,又把失踪者带回到失踪的那一刻,结果就出现了神秘的再现。其三是“时间关闭”说。“时空隧道”是客观存在的物质性世界。它看不见也摸不著,对于人类生活的物质世界,它既关闭又不绝对关闭,有时也偶尔开放一次。这一开就造成神秘失踪,后来又一放,失踪者就再现。


      关于“时空隧道”目前只是一种理论上假说,有待于科学发展的证实。

评论
热度(3)
  1. 脑部故障porntube 转载了此文字
 

© 脑部故障 | Powered by LOFTER