创业压力好大?让天体物理学虫洞假说给你点灵感
基普·索恩 基普·索恩

创业压力好大?让天体物理学虫洞假说给你点灵感

刘慈欣科幻作品《三体》近年持续大热。作为刘力荐的天文学通识读物,美国天体物理学家基普·索恩《星际穿越》一书,被认为是继史蒂芬·霍金《时间简史》之后,该领域全球最值得关注的里程碑式著作。虽然虫洞及穿行虫洞迄今仍属科学猜想,但作者就此展开的论证过程或将令读者脑洞大开。

天体物理学中的虫洞一词是由我的导师约翰•惠勒提出的,灵感来自苹果中的虫洞(见图 13-1)。

对于一只在苹果上爬行的蚂蚁来说,苹果的表面是它的整个宇宙。如果苹果中有一个虫洞,那么这只蚂蚁从苹果的顶部到达底部会有两条途径:沿着苹果的表面(也就是蚂蚁的宇宙),或者穿过虫洞。虫洞这条路显然更近,它是蚂蚁从自己宇宙中的一点到达另一点的捷径。

虫洞穿过了苹果那鲜美的果肉,而这果肉的部分不属于蚂蚁的宇宙。对于生活在二维宇宙中的蚂蚁来说,苹果内部是三维的超体或高维超空间。虫洞的壁可以被视为蚂蚁二维宇宙的一部分,因为虫洞的壁和蚂蚁的宇宙拥有同样的维度(二维),并且在虫洞的入口处与这个宇宙(也就是苹果的表皮)是相连的。在另一种观点中,虫洞的壁也不是蚂蚁宇宙的一部分。
 

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 图 13-1

福拉姆、爱因斯坦、惠勒,虫洞理论纵向迭代中
 
1916 年,也就是爱因斯坦刚刚把广义相对论的物理定律公式化之后的那一年,维也纳的路德维希•福拉姆(Ludwig Flamm)发现,爱因斯坦广义相对论方程的一个解可以描述虫洞(尽管路德维希那时还不把虫洞称为“虫洞”)。

现在我们知道,爱因斯坦方程的很多种解都可以描述不同形状和性质的虫洞。但是,路德维希•福拉姆的虫洞解描述的是其中唯一一个严格球对称并且其中不含任何引力物质的虫洞。

如果我们截取福拉姆虫洞(Flamm’s Wormhole)的中央切片,那么它和我们的宇宙(膜)都将是二维的而不是三维的。如果从三维超体中观察我们的宇宙和虫洞,那么我们会看到类似图13-2左侧部分的景象。

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图13-2

由于图片中的宇宙比我们的宇宙少一个维度,所以我们就得想象自己也是二维生物,并且只能在图中所示的曲面上或者二维的虫洞壁上行动。那么这时,由 A 点到 B点将有两条路径,较短的路径是沿着虫洞的壁运动,并且穿越虫洞由 A 点到达 B 点(图中蓝色虚线);而较长的路径是沿着弯曲的二维曲面,也就是现在假想的宇宙,绕个大圈最终由 A 点到 B 点(红色虚线)。

当然,我们的宇宙实际上是三维的,图13-2左半部分中表现虫洞入口曲率变化的同心圆,在现实宇宙中其实是一系列嵌套在一起的同心球壳(如图13-2右半部分所示)。如果你沿着蓝色虚线从A点进入虫洞,那么你会发现球壳将变得越来越小。尽管这些球壳是内层嵌套的,但它们的尺寸会停止变化。再之后,在你离开虫洞走向B点时,球壳又会变得越来越大。

在福拉姆发表他的研究结论之后的 19 年里,物理学家们几乎没有注意到他关于虫洞的研究,尽管这一关于爱因斯坦方程的解是如此令人震惊。而后在 1935 年,爱因斯坦本人和同领域的物理学家内森•罗森(Nathan Rosen)在不知道福拉姆研究结论的情况下重新得到了福拉姆 19 年前得到的解,研究了福拉姆虫洞的性质,并且探讨了此类虫洞在真实宇宙中存在的意义。其他物理学家当时也没有意识到福拉姆的研究结论,开始把福拉姆虫洞称为“爱因斯坦-罗森桥”(Einstein-Rosen bridge)。

通常,人们很难仅仅根据爱因斯坦方程的数学形式就理解它的所有理论预言,其中福拉姆虫洞就是一个非常有代表性的例子。在 1916—1962 年近半个世纪的时间里,物理学家们一直认为,虫洞应该是静态的、永恒不变的,但后来约翰•惠勒和他的学生罗伯特•富勒(Robert Fuller)发现,事实并非如此。他们在数学上进行了更为深入的研究,最后发现,虫洞会诞生、膨胀、连通和死亡,如图 13-3所显示的那样。

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图13-3

图13-3的图a表示的是,最初,我们的宇宙有两个相互独立的奇点。随着时间的流逝,两个奇点终于在宇宙的高维超空间里面相互连通,创造出了虫洞(见图 b)。然后,虫洞的周长不断膨胀生长(见图 c 和图 d),然后虫洞又开始收缩断开(见图 e),最后留下两个独立的奇点(见图 f)。诞生、膨胀、收缩和断开的整个过程是在极短的时间内完成的,任何东西都无法在这么短的时间里从虫洞的一端穿越到另一端,即便光也不行。任何尝试在如此短的时间内完成穿越虫洞之旅的人或物,都将在虫洞断开时被毁灭。

这是无法逃脱的命运。如果宇宙曾经不知何故地产生了一个不包含任何引力物质的球形虫洞,那么它将遵循上面描述的步骤走完一生。爱因斯坦的相对论物理定律就是这么预言的。

惠勒并没有因为这个结论而灰心。相反,他很高兴。他认为,奇点(空间和时间无限弯曲的地方)是现有物理定律的“危机”,而危机正是极好的导师。如果我们明智地去寻根究底,那么便可以在极大程度上领悟物理定理。
 
修订朋友科幻小说给我的启发
 
时间快进大约1/4世纪,也就是1985 年5月。

卡尔•萨根给我打电话,让我评论一下他新写成的小说《超时空接触》中关于相对论的描述是否科学准确。我很高兴地答应了,因为我们是很好的朋友,并且我想这本书一定很有意思。另外,我还欠他个人情,因为是他介绍我认识了琳达•奥布斯特。

卡尔把他新书的初稿发给了我,我读了之后非常喜欢。但在我看来,书中有一个问题:在这部小说里,卡尔把女主角埃莉诺•阿罗维(Eleanor Arroway博士从太阳系送到了织女星——是通过一个黑洞传送过去的。但据我所知,人类是不可能通过黑洞从太阳系到达织女星或者宇宙其他任何地方的,因为在进入黑洞的视界后,埃莉诺•阿罗维博士将被奇点杀死。如果想快速到达织女星,那么我们的女主角需要的是一个虫洞,而不是黑洞。而且,这个虫洞不会断裂,是一个可以穿行的虫洞。

所以我问自己,到底怎么做才能让福拉姆虫洞不断开呢?怎样才能保证福拉姆虫洞保持打开且连通的状态,以让我们穿行过去呢?通过一个假想的实验,我找到了答案。

假设你有一个像福拉姆虫洞那样的球形虫洞,但与前者不同的是,它不会断开。然后,你可以沿着虫洞的径向发射一束光。因为这束光的所有光线都是沿着虫洞的径向前进的,所以这束光线在虫洞中的形状应该如图 13-4所演示的那样。在进入虫洞的时候,光束会汇聚起来(光束的横截面变小),而当光束从另一端离开虫洞的时候,光束又会发散开来(光束的横截面变大)。虫洞对光线的作用是发散的,类似于一个凹透镜。

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图 13-4

我们知道,引力体(例如太阳或黑洞)会将光线向内弯曲(见下图),而不能将光线向外弯曲。若想将光线向外弯曲,那么作为透镜的引力体需要具有负质量才行(当然负能量也是可行的,因为爱因斯坦的质能守恒方程告诉我们,质量和能量是等效的)。

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图13-5

基于上面这些基本事实,我得到了以下结论:

任何可穿行的球对称虫洞一定是由某种具备负能量的物质支撑着的。这些物质的能量至少要和光束(或者其他以近光速运动的物体)穿行虫洞时所承受的负能量相当。(在相对论物理定律里,能量的概念比较奇怪——一个人所测量到的能量取决于他的运动速度和方向。)我把这种具有负能量的物质称为“奇异物质”(exotic matter)。(后来我才知道,其实根据爱因斯坦的广义相对论,任何虫洞,无论球对称与否,如果想要保持可穿行的性质,其内部必须填充奇异物质。这个结论是加州大学戴维斯分校的丹尼斯·甘农(Dennis Gannon)教授在1975 年证明的一个理论的推论。由于我的一些疏忽,当时我并不知道甘农教授的这一理论。)

令人惊异的是,现有的理论表明,奇异物质是可以存在的,当然这要归功于量子物理里面那些奇怪的法则。物理学家们甚至在实验室里制造出了极少量的奇异物质——实验是在距离极近的两个导体板之间实现的。这个效应被称作卡西米尔效应(Casimir effect)。但是那时(1985 年)的我还不是非常清楚虫洞是否可以抓住足够多的奇异物质以保持自身的连通,所以我还做了其他两件事。

第一,我写信给卡尔,建议他把书中“通过黑洞把埃莉诺·阿罗维博士送到织女星”中“通过黑洞”的部分改成“通过虫洞”。信中我还附上了一份描述虫洞的相关计算。这份计算显示,可穿行虫洞内必须填入“奇异物质”。卡尔接纳了我的建议(并且把我有关虫洞的方程加在了他小说的致谢里面)。从此,虫洞正式出现在现代科幻领域,比如小说、电影和电视剧等。

第二,我与我的两名学生马克·莫里斯(Mark Morris)和乌尔维·尤尔特塞韦尔(UlviYurtsever)一起发表了两篇关于“可穿行虫洞”的科技文章。在这两篇文章中,我们向物理界同行们提出了一个问题:通过结合量子定律和广义相对论物理定律,一个高度发达的文明是否可以在虫洞中放入足够多的奇异物质来使之保持连通?

这促使物理学家们进行了大量的研究工作。但直到今天为止——大约30 年过去了——这个问题依然没有答案。绝大部分研究结果给出了否定的答案,“可穿行虫洞”也许不可能存在。我们离最终的答案还有很长的路要走。相关细节请阅读我的物理学同事艾伦·埃弗里特(Allen Everett)和托马斯·罗曼(Thomas Roman)合著的《Time Travel and Warp Drives》一书。
 
电影《星际穿越》,基于理论猜想的演绎
 
在电影《星际穿越》中,库珀说,虫洞不是一个可以自然发生的物理现象。

我完全同意他的观点。即便物理定律允许可穿行虫洞的存在,在真实的宇宙中也是非常不可能的。我必须承认,这里所描述的可穿行虫洞的存在性与相关性更多的是猜想,连基于现有科学理论的推测都算不上。

为什么我对虫洞的自然产生如此悲观?因为我们没有看到宇宙中的任何天体在它们“变老”的时候变成虫洞。相反地,天文学家们看到了许多大质量恒星在耗尽核燃料时塌缩成了黑洞。

另一方面,人们有理由期望虫洞以“量子泡沫”的形式自然地存在于亚微观尺度上(如图13-7所示),这个量子泡沫是一个假想的虫洞网络,泡沫会持续不断地在出现和消失之间波动,而这种波动的方式被我们目前还不是非常清楚的量子引力理论所控制。

在任何一个给定的时间内,泡沫是随机的。这就意味着,这个泡沫会在一定的概率下呈现出一种形式,同时也会在一定的概率下呈现出另一种形式,而且这些概率是连续变化的。另外,这个量子泡沫非常非常小,泡沫中虫洞的典型长度是所谓的普朗克长度,即 0.000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 001 厘米,也就是原子核直径的万亿亿分之一。实在是太小了。

 

回到 20 世纪 50 年代,约翰•惠勒就已经给出了关于量子泡沫的有力论证,但现有证据表明,在量子引力的理论框架下,很多机制会降低量子泡沫的波动幅度,甚至抑制量子泡沫的产生。

如果量子泡沫确实存在,那么我希望有一个自然过程能够让虫洞从普朗克长度长到人体的尺度,或者更大。这或者就发生在宇宙的极早期,在宇宙极快速“暴涨”膨胀的时候。但是物理学家们并没有看到任何证据可以表明这种自然增大能够或已经发生。

另一种产生自然虫洞的机制就是宇宙的大爆炸创世,但这个可能性极小。我们可以设想可穿行虫洞在宇宙大爆炸时期本来已经产生,但是这个设想是非常不可能的。之所以说设想,是因为我们对宇宙大爆炸并不了解;之所以说不大可能,是因为在我们所知道的大爆炸中没有一样能够提供形成可穿行虫洞的线索。

一个超级发达的文明是创造出稳定的可穿行虫洞的唯一希望,但这要面对太多的困难,所以我依然持悲观态度。

在一个没有可穿行虫洞的空间中制造可穿行虫洞的可行途径是:把它从量子泡沫(如果量子泡沫存在的话)中提取出来,放大到人类尺寸,甚至更大,然后向虫洞中添加奇异物质以保持这个虫洞的连通。这些步骤,甚至对于超级发达的文明来说,都是一项艰难的任务。当然,这也许仅仅是因为我们不理解如何运用量子引力理论来控制量子泡沫,并提取当中的虫洞,也不知道早期的放大过程。当然,我们目前对奇异物质的性质也不很了解。
乍看上去,制造一个虫洞好像很简单(见图 13-8)。只要把我们的宇宙膜(我们的宇宙)向着超体的方向推出去,创造出一个小锥体(见图 a),然后把我们的宇宙绕着超体折叠起来(见图 b),接着在锥体正下方折叠起来的平直空间上开一个小洞,再在锥体的尖端开一个小洞,最后只要再把这两个小洞缝起来(见图 c),一个虫洞就诞生了。哈,就是这样!

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图 13-8

在电影《星际穿越》中,罗米利(Romilly)用一张纸和一支笔演示了我刚才陈述的创造虫洞的方法(见图13-9)。从旁观者的角度来看,这个过程非常简单,就是玩玩纸和笔,但是如果这张纸就是我们的宇宙膜,创造者是生活在我们宇宙膜上的文明,所有操作只能在我们的宇宙膜内完成,那么这个过程将无比艰难。

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图 13-9

实际上,除了第一步——在空间中向高维度的方向推出一个锥体(我们只需要一个非常致密的天体,例如中子星)——我根本不知道其他步骤如何实现。如果想接着在我们的宇宙中打孔的话,唯一的途径就是借助量子引力理论。爱因斯坦的广义相对论是禁止我们在宇宙中打孔的,所以如果想在宇宙中打孔,唯一的方法就是寻找广义相对论失效但量子引力统治的区域。对于我们来说,这一认知几乎为零。
 
版权声明:本文摘编自《星际穿越》一书,作者基普•索恩亦为同名电影《星际穿越》唯一科学顾问,编辑齐介仑,i黑马版权所有,如需转载请联系zzyyanan授权。未经授权,转载必究。

假说 天体 物理学
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