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目前科学家从未证实过虫洞的存在,更不用说从虫洞中穿越了。

时间:2019-08-30 09:40来源:未知 作者:管理一号 点击:
虫洞,这种由广义相对论预言的奇特结构,是衔接时空中相距遥远的两个区域的捷径,因而寄托了许多人完成时空旅行的梦想。不过,现在科学家从未证明过虫洞的存在,更不用说从虫

虫洞,这种由广义相对论预言的奇特结构,是衔接时空中相距遥远的两个区域的捷径,因而寄托了许多人完成时空旅行的梦想。不过,现在科学家从未证明过虫洞的存在,更不用说从虫洞中穿越了。

近日,加州大学圣芭芭拉分校的付子操、Brianna Grado-White和Donald Marolfa在预印本文库网站发了两篇论文,他们结构了一个可穿越虫洞的新模型。依据他们的研讨,这样的虫洞能够在世界学常数等于0的时空中存在。

拓扑世界监督原理

在Grado-White等人的论文中,他们首先证明了可穿越虫洞在一般的时空中是不存在的,而这背面用到的物理原理是“拓扑世界监督原理”(Topological censorship)。

早在1993年,物理学家J。 L。 Friedman、K。 Schleich和D。 M。 Witt等人就宣布了拓扑世界监督原理的论文,这一原理能够以为是1969年相对论专家彭罗斯提出的“世界监督猜想”(cosmic censorship hypothesis)的连续。

世界监督猜想指出,一个旋转的带电黑洞不可能旋转得太快,因为巨大的旋转角速度会让被黑洞视界包裹的奇点暴露出来,而这是违背相对论因果性的。但彭罗斯不能从数学物理的视点来证明这个猜想,于是他以为,需要一个像天主相同的“世界监督”来制止黑洞暴露奇点。

到了1993年,世界监督猜想还没被证明,但J。 L。 Friedman、K。 Schleich和D。 M。 Witt等人继续提出了拓扑世界监督原理。要理解这项原理,咱们首先要了解类光能量条件(null energy condition)。

在时空中,光子的轨迹是一条类光曲线,这条曲线在时空中的每一点都有一个切矢量,记作类光矢量(k)。别的,爱因斯坦的引力方程中,有描写物质信息的能量动量张量(T)。T是2阶张量,能够看成一个矩阵;而k是一个矢量,能够看成是一个列向量。因而,当T与两个k相乘,得到一个数。关于一切普通的物质,这个数是大于等于0的,这便是类光能量条件:

依据拓扑世界监督原理,假如世界中的物质的能量动量张量不破坏类光能量条件,那么时空不能有特别的拓扑结构。也便是说,时空在拓扑上应该等价于四维欧氏空间、四维球面等简略的几何体,而不应该出现相似自行车内胎这样的古怪拓扑结构。而可穿越虫洞,就归于一种古怪的拓扑。所以,依据拓扑世界监督原理,在正常的时空中,可穿越虫洞不会存在。

有必要违背类光能量条件

那么,什么时候虫洞能够存在,而能被物质所穿越呢?

虫洞作为一种时空的拓扑结构,是受到爱因斯坦引力场方程限制的。爱因斯坦引力场方程的左边是空间曲率,而右边是能量动量张量。

可穿越虫洞的存在,有一个基本原则,那便是物质场的能量动量张量有必要违背类光能量条件。

任何一个的可穿越虫洞,有必要有违背类光能量条件的“负能量”来支撑。换句话说,假如一群光子想要穿越虫洞,那么这群光子对应的测地线不能在虫洞里会聚,这需要用到印度的闻名物理学家瑞查德符里(Amal Kumar Raychaudhuri)提出的方程。

研讨虫洞理论的哈佛大学物理学博士高苹告诉《环球科学》:“经过瑞查德符里的方程能够看出,在虫洞中,光线只有在物质场的能量动量张量违背类光能量条件下,才不会撞上奇点——在这种情况下,聚集在虫洞一端的光线在离开虫洞的另一端时会散开,这样才能够从虫洞中逃出来。”

因而,拓扑世界监督原理与瑞查德符里方程都指向同一个结论:“要想穿越虫洞,有必要要有违背类光能量条件的负能量!”

用世界弦结构可穿越虫洞

在Grado-White等人的论文,他们就在此基础上,结构了一个可穿越的虫洞。

首先,他们需要有两个带电黑洞,并且这两个黑洞的电荷是相反的。也便是说,其间一个黑洞带正电,另一个黑洞带负电。(尽管这样的带电黑洞在实际世界中不常见,但理论上它能够在世界学常数等于0的正常时空中存在)为什么要让黑洞带着电荷?这是因为带电黑洞内部的奇点能够被拉伸扭曲,从而构成一座通向另一个带电黑洞的桥,这个桥便是科学家梦寐以求的虫洞的雏形。

但是,有了虫洞的雏形还是不够的。因为带电黑洞之间存在万有引力和电磁力,这些力都是彼此吸引的,它们会让两个黑洞彼此靠近,这就不能结构出一个安稳的虫洞。

那么,如何才能让虫洞安稳下来呢?他们想到了世界弦。

世界弦是一个来自弦论的理论模型,能够被看成是大爆炸以后的时空结构被冰冻时构成的奇异物体,具有很强壮的张力(弹性)。早期世界中出现的弦假如随世界膨胀而扩大,那么就可能成为尺度很大的世界弦。这种世界弦能够长达几万光年,成为衔接两个黑洞的管道。在Grado-White等人的论文中,他们用到了两根世界弦。

如下图所示,蓝色的世界弦是一个闭弦,能够振荡起来发生负能量。他们计算了这些负能量对时空几何的影响,发现它确实能够防止虫洞坍塌。而黑色的世界弦是一个开弦,它衔接了两个带电黑洞的端口,依托世界弦巨大的张力阻止两个黑洞彼此靠拢。

 

这个解决方案使得虫洞不但安稳,并且能够被穿越。穿越这个虫洞所要花费的时间,大致与距离与光速的商在同一个量级,所以,这是一个“不快不慢”的虫洞。而在马尔达西纳等人提出的永久虫洞里,穿越的时间则要长许多,这样的永久虫洞并不合适星际旅行,只合适用来逃避星际战役。

曾经的可穿越虫洞研讨大多都与反德西特时空(世界学常数为负数)有关,而最新的研讨结构了一种在世界学常数为0的时空中能够存在的可穿越虫洞,这使得整个研讨看起来其实更符合实际。

(责任编辑:管理一号)
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