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虫洞长什么样?揭秘黑洞、虫洞、白洞区别

“人类诞生在地球上。这从不意味着要灭亡于此。”

在很久的未来,农作物无法种植使得地球不再适宜居住。而人类将不得不穿越星际,去深空之中寻找新的家园。

作为爱因斯坦广义相对论一个推导结果,虫洞不仅给我们提供了穿越星际的便捷途径,而具还可能变成时间机器允许我们回到过去。

上面所说的是2014年的科幻电影《星际穿越》所讲述的故事。不过在现实中,离开太阳系进人星际空间其实非常困难。举例来说,太空探测器旅行者1号在1977年升空,到现在它才抵达太阳系的边缘。

虫洞长什么样?揭秘黑洞、虫洞、白洞区别

那么有没有便捷途径呢?爱因斯坦的广义相对论给了我们希望,其理论所预言的虫洞就是通往星际空间的便捷通道,而该片中的宇航员就是利用虫洞来实现星际穿越的。

广义相对论是爱因斯坦研究时空与引力关系的理论,它革新了牛顿时代的静止时空观,认为时间和空间并不是静止不变的,而是可以变化和弯曲的。令爱因斯坦没想到的,相对论不仅引起了我们时空观的一场革命,而且预言了宇宙中一系列奇异事件或现象——宇宙大爆炸、时间旅行、暗能量、以及黑洞和虫洞。我们可以说,这些新发现是属于广义相对论的,属于爱因斯坦的。

虫洞究竟是什么样子?

1935年,爱因斯坦与他的好友、美籍以色列裔物理学家纳森·罗森,在研究引力场方程时发现,对于弯曲时空来说,在理论上可以有一个连接宇宙中两个遥远地点的捷径。这就像一座山的两端可以通过隧道进行连接一样。

但宇宙中的虫洞可不像山底的隧道那么容易开凿,自从虫洞这个概念提出几十年来,顶尖的理论物理学家们对其的探讨仍然是纸上谈兵阶段,不像宇宙大爆炸、黑洞这样的现象已经被观测所证实。不过,随着思考的日益深人,关于虫洞的细节逐渐丰富起来。

假设宇宙中有一个虫洞,它会是什么样子呢?其实非常简单。它有两个洞口,例如有一个在地球附近,另一个在约26光年远的织女星附近。两个洞口通过在高维空间中延仲的隧道相连。这个隧道可以非常短,例如只有1千米,所以如果我们通过虫洞从地球抵达织女星,我们就可把路途从26光年缩减为1千米。所以说,虫洞可以成为宇宙中的快捷通道。

虽然虫洞可以缩短旅途的距离,但并不是超越了光速。例如,你通过虫洞从地球抵达织女星,很显然比穿过虫洞外的时空抵达的光线还要快,但是你在穿越虫洞时相对虫洞的速度是不能超过光速的。

在现实的三维空问中,虫洞看起来并不像一个隧道或一座桥,因为你只能看到它的洞口,而它的隧道是在四维空问里延伸,你无法直接看到隧道的模样。其中,洞口看起来像一个巨大的玻璃球。

虫洞不是黑洞

许多人都认为虫洞不过是另一种黑洞而已,但这种观点是错的。其中的一个区别是,黑洞都有一个事件视界(一种任何物质进去之后有去无回的边界),而并不是每个虫洞都具有事件视界。有一些虫洞具有事件视界,但并不是像黑洞那样是因为存在一个密度无穷大的奇点,而是因为虫洞的隧道内引力引起的潮汐力过于强大。虫洞和黑洞另一个区别是,虫洞有两个洞口并通过一个隧道相连,而黑洞只有一个洞口,洞口的尽头是一个死胡同,任何物质掉进黑洞都会最终撞上内部的奇点。

不止一种虫洞

另外很重要的事实,是虫洞不只有一种。一种分类虫洞的方法是虫洞的隧道是否是基本稳定的,还是不稳定的(例如隧道不断地开启然后闭合)。第二种分类方式是,需要多少物质才能创造出生成虫洞的引力场,一种只需要行星质量的,而有一些需要好几倍恒星质量。另外,虫洞隧道的潮汐力的大小也是一种分类虫洞的办法。

接下来的我们来阐述两种虫洞。一种是史瓦西虫洞,它是一种不稳定的虫洞。另一种是稳定的虫洞,它允许物质穿过它,所以也可以说是一种可穿行的虫洞。

不同的时空与史瓦西虫洞

物理学家首先提出来的虫洞是史瓦西虫洞,它是广义相对论中爱因斯坦方程其中一个解的产物。

在研究爱因斯坦方程的过程中,物理学家发现除了时空中存在黑洞以外,还必须存在白洞。而白洞正好是黑洞的时间反演,里面的任何物质都会向外运动,穿过它的边界(也称为事件视界)之后就再也无法回到内部。除了黑洞和白洞这两个时空区域,还得有另外两个彼此完全隔离的时空区域,称为两个不同的“宇宙”。这两个宇宙与黑洞和白洞的关系如下:白洞中的任何粒子和信号都可以进人这两个宇宙,但都无法返回到白洞里;两个宇宙中的任何粒子和信号都可以进入黑洞,但都无法在从黑洞中逃离,只能撞上黑洞内的奇点上;两个宇宙彼此完全隔离,也就是它们之间没有任何信息可以交流。

这种虫洞就是爱因斯坦和他的同事纳森·罗森最早提出的,所以在当时他们把它称为爱因斯坦一罗森桥。它在镶嵌图中是下面右图的样子,其实可以说是一个黑洞的内部与一个白洞的内部相连所形成的时空结构。所以说,史瓦西虫洞应该是单向的,也就是说虫洞的一端任何物质只进不出,另一端只出不进。

这是一个不稳定的虫洞

那么,我们能否利用史瓦西虫洞,从我们的宇宙跑到另外一端的宇宙呢?可惜,这是不可能的。上世纪60年代,美国物理学家约翰·惠勒和他的同事发现,这种类型的虫洞是不稳定的,存在的瞬间转瞬即逝,

任何物质包括光都来不及从一个宇宙中穿过虫洞并抵达另一个宇宙。

形成前只是两个分离的黑洞和白洞,形成虫洞后瞬间又变成黑洞和白洞。在图中可以看出,任何尝试穿过虫洞的东西都不可能从另一端出来,它最终都会在虫洞关闭之后撞到奇点上。

史瓦西虫洞的一个洞口像黑洞,另一个的洞口像白洞。事实上,对于一个外面的观察者来说,虫洞的一个洞口与真正的黑洞看上去是一模一样的。也许宇宙中的那些黑洞内部会形成短暂的史瓦西虫洞。

现在让我们来想象一下如果你从洞口进人虫洞会是什么样子。开始进人洞口的过程与进人一个黑洞类似,当你穿过事件视界之后,如果你没有被潮汐力撕碎的话,你可以看到洞口的中间有扭曲的图像,这是从虫洞另一端发射过来的光线。下面的图则简要地表示了这种情况。

虽然你可以看见虫洞另一侧的景色,但很可惜你无法抵达那里。因为史瓦西虫洞是不稳定的,在你还没有反应过来的时候,虫洞就关闭了,你之后会撞倒在虫洞关闭后形成的奇点上。

史瓦西虫洞转瞬即逝,任何物质都无法穿过它。

那么有没有办法使得史瓦西虫洞稳定下来呢?美国物理学家基普·索恩找到了~种办法,尽管看上去不可思议。

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