虫洞真的存在吗?新方法或许让我们更快找到它们

时间:2021-02-23

  撰文 | Andreea Font

  翻译 | 耿淑娟

  审校 | 张和持

  爱因斯坦的广义相对论极大地改变了一些基本物理学的概念,比如对时空的认知。但它同样给我们留下了诸多深刻的谜团。其中一个正是黑洞,但在过去几年中,我们已证实它的存在。另一个谜团则是“虫洞”的存在,它是连接时空中不同点的桥梁,理论上能为太空旅行者提供捷径。

  目前,我们对虫洞的了解仍停留在想象阶段。有些科学家认为,在不久的将来我们或能发现虫洞。近几个月来,一些新的研究提出了一些有趣的方法,或能推动有关虫洞的研究。黑洞和虫洞是爱因斯坦方程中的特殊解,只有当时空结构由于引力作用强烈弯曲时才会出现。例如,当物质极其致密时,时空的构造可能会变得十分扭曲,以至于光都无法从中逃脱——这就是黑洞。

  由于这一理论允许时空结构被拉伸或者弯曲,而我们可以想象所有可能的结构形式。1935年,爱因斯坦和物理学家纳森·罗森(Nathan Rosen)描述了两处时空是如何能连结在一起,并在它们之间创造一个桥梁。这是虫洞的一种,而由此也能够想象出很多其他类型的虫洞。

  一些虫洞也许是可通行的,也就是说,人类或许能在其中穿梭。然而,这些虫洞必须足够大,能抵抗关闭虫洞的引力作用,并保持开放状态。当以这种方式将时空向外推,会耗费大量的“负能量”。这听起来像是科幻小说中的情节?但是,负能量是切实存在的,科学家们已经在实验室中制造出了少量负能量。而且负能量是宇宙加速膨胀的原因,因此大自然或已经掌握了创造虫洞的方法。

  我们该如何证明虫洞存在呢?近期,一篇发表于《皇家天文学会月刊》的论文中,俄罗斯天文学家表示,虫洞或许存在于某些非常明亮的星系中心,同时还提出了一些找到虫洞的观测方法。这些方法基于从虫洞一侧飞出的物质与落入虫洞的物质相撞的可能后果。计算显示,这类碰撞将产生大量伽马射线,而我们可以尝试利用望远镜观测它们。

  该辐射或能成为区分虫洞和黑洞的关键,在此之前的研究认为,无法从外侧对二者进行区分。黑洞产生的伽马射线会更少,并以喷射的方式释放出来。而由虫洞产生的辐射将会被限制在一个巨大的球形中。尽管在这项研究中考虑的是可以穿梭的虫洞,但穿梭的过程并不愉快。因为,这类虫洞距离活跃星系的中心很近,在那里,高温将把一切烤成碎片。不过并不是所有虫洞皆如此,像那些距离星系中心更远的虫洞就不存在这一问题。

  星系中心可能存在虫洞的设想并不新奇。以位于银河系中心的超级黑洞为例,科学家们通过长期追踪黑洞附近的恒星轨道变化,才取得了这一重大成就,并于 2020年获得诺贝尔物理学奖。不过,最近的一篇论文表示,引力拉扯或许是由虫洞产生的。与黑洞不同,虫洞也许会“泄露”出另一侧的物体的部分引力,而这一部分引力会略微改变星系中心的恒星的运动。根据这项研究,在不久的将来,通过提高测量设备的灵敏度,我们应该能够观测这一特定的效应。

  巧合的是,在近期发表的另一项研究中,研究人员在星空中发现了“奇怪的无线电圈”。这些电圈非常奇特,因为它们庞大却又不与任何可视物体相结合。目前,没有任何传统理论能够对此做出解释,而虫洞也被认为可能是导致这一现象的原因之一。

  虫洞牢牢抓住了人类的想象力。在某种程度上,虫洞是一种喜闻乐见的逃避现实的方式。由于黑洞会捕捉任何冒险进入其中的物质,人们对它心存些许畏惧;而虫洞则不同,它或许能让我们以远超光速的速度达到远方。

  在统治着原子和粒子世界的量子物理学中,虫洞也会突然出现。根据量子力学,粒子能够在空无一物的空间中突然出现,在片刻后还能突然消失。无数的实验都已观察到了这一现象。如果粒子能被突然制造出来,为什么虫洞不能呢?物理学家们相信虫洞或许形成于早期宇宙,从一堆突然出现又会消失的量子泡沫中诞生。这些“原始虫洞”中的一部分或许留存至今。

  最近关于“量子隐形传态”(quantum teleportation)的实验——一个量子信息在两个位置间进行“无实体”的传递——已初见成效,而它们之间的运作方式竟与通过虫洞连接的两个黑洞惊人地相似。这些实验或能够解决“量子信息悖论”(quantum information paradox),该悖论认为物理信息可能在黑洞中永久消失。而这一实验同样也揭示量子物理中臭名昭著的不相容理论与引力间的重要联系——虫洞与二者的关联或许有助于构建“万物理论”。

  虫洞在这些著名的理论的发展中起着不容忽视的作用。我们也许尚未见过虫洞,但它们可能切实存在,甚至可能会帮助我们理解一些最深刻的宇宙谜团,比如我们所在的宇宙是否唯一。


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