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虫洞——时空旅行的可行性方案 

物理与微电子学院02                 曹博睿                201002105 

虫洞:连接宇宙遥远区域间的时空细管。虫洞也可以把平行的宇宙或者婴儿宇宙连接起来,并提供时间旅行的可能性。《时间简史》霍金

 

我们对时间最完善的理解来自爱因斯坦的相对论。在这些理论诞生之前,时间被广泛地认为是绝对的和普遍的,不管人们的物理状态如何,时间对于每个人都一样。在Einstein狭义相对论中,他提出测量两个事件的时间间隔取决于观察者如何运动。至关重要的是,运动状态不同的两名观察者对于同样的两个事件将会体验到不同的持续时间。

经常用双生子佯谬描述的那个效应:假定SallySam是双胞胎,Sally搭乘一艘飞船以高速驶向附近的一颗恒星去旅行,然后折返飞回地球,而Sam只呆在家里。对于Sally而言,旅行大约持续了一年,但当她返回到地球并跨出宇宙飞船时,她发现地球上已经过去了10年,现在她的兄弟比她大九岁。尽管他们在同一天出生,可是SallySam是不再具有相同的年龄。这个例子说明了一类有限的时间旅行。实际上,Sally已经跳跃到了九年后的地球的未来。因此时间旅行和空间旅行在本质上没有区别

因此对于时空旅行我们可以有两种方案:

被称为时间膨胀的效应,总会发生于两名作相对运动的观测者之间。在日常生活中我们不会察觉到奇异的时间挠曲,因为只有当运动接近于光速时,这一效应才会变得显著。为了观察真实而显著的时间挠曲,一个人必须跃出通常的经验领域。在大型加速器里,亚原子粒子可以被加速到接近光速的程度。这些粒子中的一部分,例如μ介子,拥有一台内置的时钟,因为它们以确定的半衰期发生衰变;根据爱因斯坦的理论,观测到在加速器里高速运动的μ介子以慢动作衰变。一些宇宙射线也经历了惊人的时间挠曲。这些粒子如此接近于光速运动着,以致依照它们的视角,在几分钟之内便能穿过银河系,纵然在地球的参照系中它们似乎花费了数万年。如果时间膨胀没发生过,那些粒子绝不会在这里出现。

按照爱因斯坦那个著名的能量质量关系式Emc2,穿越时间隧道从现在回到过去完全是可能的。1905年,爱因斯坦在狭义相对论中这样解释一个奇异世界:我们所处的宇宙可以看成是一个四维时空,随着物体运动的速度增快,时间流程将会变慢,空间尺度将会缩短。1915年,爱因斯坦进一步提出他的引力理论,叫做广义相对论。同样在这个奇异世界中,在大质量物体(即强大的引力场)作用之下,时空结构会发生弯曲,时间流程也会变慢。一维时间可以像三维空间一样发生弯曲。1974年在美国杜兰大学的提普勒就曾做过计算,一个质量很大、无限长的圆柱体,若沿着轴心以接近光速自转,便可让航天员造访他自己的过去;同样的,这也是拖着光线绕着轴,以封闭曲线运动。1991年,美国普林斯顿大学的戈特则预测,宇宙弦(宇宙学家认为这种结构是在宇宙大爆炸初期形成)可以造成相似的结果。科学家们研究发现:当宇宙飞船经过重力场时,把重力场的拉力转换成推力,宇宙飞船在那段时间内,便可以以光速甚至超光速飞行。美国航空航天局的专家们已经创立了时空场共振理论,这是以爱因斯坦和德国物理学家海森堡的统一场论为基础建立的。其要旨是:借助电磁、重力、光速和时空共同演变的伸缩性,瞬间跨越时光。但是,就算真能超光速,狭义相对论也提到物体运动速度越快、长度变得越短,越趋近光速、越为显着,此为罗伦兹收缩;而广义相对论也提到,趋近光速会受到强大潮汐重力场的作用。当到达光速时,换作是人的话,恐怕早已不成人形了,不用说超光速了。

所以从另一方面来说虫洞就显得更为合理了

虫洞,这个科幻园地中的主题,今天已从纸面跃出,成为天文学家搜索的目标。虫洞为何那么吸引人?因为它为星际航行提供了一条捷径。例如从地球飞往最近的邻居——半人马座——比邻星,将要飞奔4光年的旅程,而通过虫洞,却只需几小时就够了。

高速运动是跃向未来的一种方式。引力则是另一种手段。在爱因斯坦的广义相对论中,他预言引力可以减缓时间的流逝。与在地下室相比,钟在顶楼上要走得快一些,在更接近于地心因而也更深入于引力场的情况下,这一现象将愈加显著。中子星表面的引力是如此强大,以致时间的流逝速度与地球上相比大约减缓了30%。在这样一颗恒星上进行观察,事件看起来就像是快进的录像。黑洞代表了时间翘曲的极致;在该天体的表面,时间相对于地球来说是停滞的。这意味着,倘若你从附近落入黑洞,在你到达其表面所花费的短暂的时间内,广阔的宇宙已经历了无限长的时期。因此,就黑洞外部的宇宙而言,黑洞内部是时间终结的区域。

在广义相对论发表后不久,1935年爱因斯坦就在理论上发现了“虫洞”——也就是由两个相连的“黑洞”所构成的时空结构中的“豁口”的存在——条贯穿空间和时间的隧道。也就是说,只要能够建造一个稳定的虫洞,就可以跨越时间和空间。

1953年爱因斯坦和纳珍·罗森写了一篇论文。在论文中他们指出广义相对论允许他们称为“桥”,而现在称为虫洞的东西。爱因斯坦——罗森桥不能维持的足够久,使得空间飞船来得及穿越:虫洞会紧缩,而飞船撞到奇点上去。但他们的研究对后来人们的进一步探索时空旅行的提出了一个可行性的方案。

但此后,对它的研究进展很慢,它的不少性质仍然十分模糊。例如,它仅能让光线通过?抑或也可使飞船穿行?直到1988年,美国加州工学院的桑恩等人,对虫洞作了较为深入的研究,才肯定虫洞的两端皆可出入,并非像黑洞那样是单行道。此外,旅行者在洞内仅受到一般的加速度。不像在黑洞中,若你的脚指向黑洞中心,那么巨大的引力场,会在头足之间构成极大的拉力差,足可把身首撕开。

对于虫洞的研究我们可以得到一些基本描述。和黑洞的研究一样,所有的关于虫洞的研究都基于我们自己的模型,而没有任何实际的模型供我们参考。

可利用虫洞的建立需要以下三个步骤:

1.寻找或建立一个虫洞,开辟一个隧道用来连接太空中两个不同的区域。大型虫洞可能天然地存在于外太空中,是宇宙大爆炸的遗留物。若事实并非如此,那我们只好凑合着使用比原子更小的虫洞,它们或者是自然的产物(在我们周围,每一瞬间都有这种小型虫洞诞生和消亡),或者是人造产品(它们由粒子加速器生产出来)。这些更小的虫洞必须被扩大到实用的尺寸,也许要使用那些在宇宙大爆炸不久之后导致空间膨胀的能量场。

2.使虫洞稳定下来。注入利用所谓的开斯米效应由量子产生的负能量,虫洞便允许信号和物体安全地穿越它。负能量会抵制虫洞坍缩为密度无穷大或接近无穷大的一点的趋势。换句话说,它阻止了虫洞演变成黑洞。

3.牵引虫洞。一艘具有高度先进技术的太空船将虫洞的入口互相分离开。一个入口可能被安置在中子星表面,那是一颗拥有强大引力场、极度致密的恒星。强烈的引力使得时间变慢。因为在虫洞的另一个入口处,时间流逝得更快,结果这两个入口不但在空间内而且在时间上都被分离开了。

天文学家已经观测到类似虫洞的星体,我们在实验室中也已经完全可以制造出超小型的虫洞。因此其中最重要的就是如何使虫洞保持足够长的时间来让人们通过。根据量子理论,这个虫洞在强力的作用之下,将于瞬间关闭。有一种假设是利用开斯米效应等量子方式向虫洞里灌输反物质,这样就可以延长虫洞开启的时间。并且,同样利用反物质将其扯大,钻出一条长度约为一光年的时间隧道。这样一条时间隧道,便是由现在通往过去快捷方式。这需要融合爱因斯坦的广义相对论和量子力学理论,创造出一个全新的量子引力论。著名的洛斯阿拉莫斯国家实验室的科学家已在如何利用虫洞方面进行开拓。他们对反物质有了更深的研究:一直以来,这种奇怪的反物质只存在于理论之中,而今他们已成功地证明,反物质也存在于我们的现实世界之中。并且得出结论:虫洞的超强(引)力场,也一样可以通过反物质来中和。

量子力学一直在发展中因此我们完全有理由相信全新的量子引力论的发展。通过以上的说明我们完全有可能利用虫洞实现时空旅行,到达我们从未到达过的时空。