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人类可穿越虫洞?物理学家新研究:虫洞旅行理论上并非不可能

至少在当前看来,科幻小说中 “借虫洞旅行” 的情景在物理学上并非完全不可能。

虫洞旅行是太空科幻小说中最常见的元素之一,假想中的太空飞船可以通过穿越虫洞来实现超光速旅行(FTL,faster-than-light),瞬间到达在空间上离自己非常远的地方。由于广义相对论认为宇宙中不存在比光速还快的速度,所以虫洞旅行在广义相对论下是不存在的。

然而近几年的物理研究认为,这种虫洞或许存在于以量子物理为主的微观层面上。最近的一项研究又给这一观点添加了新依据。来自普林斯顿高级研究院的理论物理教授 Juan Maldacena 和普林斯顿大学天体物理专业的毕业生 Alexey Milekhin 共同研究,阐述了一种 “被现有物理所允许存在的”、大小足够人类进入的虫洞存在的可能。这篇名为《人类可穿越的虫洞》(Humanly traversable wormholes)的论文发表在预印本网站 arxiv.org 上。

虫洞的概念最早由德国物理学家 Karl Schwarzschild 提出,是对爱因斯坦广义相对论里的场方程的一个解(在物理学中被称为 Schwarzschild 度量),为黑洞的存在提供了首个理论基础。

Schwarzschild 度量在理论上预示了 “永恒黑洞” 的存在,也就是时空中的点与点之间存在“直接联系”,但 Schwarzschild 所提出的这类虫洞(也被称为爱因斯坦 – 罗森桥)坍缩速度极快,并不稳定,以至于任何事物可能都无法成功进入这种虫洞并穿过它。

另外,这种可穿越的虫洞需要满足特殊条件才能出现,比如存在负能量(在宏观层面的物理学中不被允许存在,但在量子物理中被允许存在),对此,Maldacena 和 Milekhin 表示,量子物理中的 “卡西米尔效应(the Casimir Effect)” 就是一个很好的例子,量子场在沿闭合圆圈路径传播的过程中会产生负能量,这种效应所能带来的影响通常很小,但对带有较大磁感电荷的黑洞来说效果显著,而物理学家们也正是因此才想到以 “带电的无质量费米粒子” 的特性为起点,构建足够稳定的虫洞。

具体来说,“带电的无质量费米粒子”在带磁感电荷的黑洞附近沿黑洞磁感线的轨迹行进时(与太阳风中的带电粒子与地球磁场作用产生极光的运动状态类似),黑洞附近的 “真空能”能被修改并可为负(负能量的概念),并以此能支持稳定虫洞的存在,且使该虫洞在有事物借其进行 “穿越” 之前不会坍缩。

虽然这类黑洞对微观粒子的 “穿越” 而言已经足够,但若想构建一个能让人也 “穿越” 的虫洞,必须另辟蹊径,在标准模型外的物理学中寻找方法。

Maldacena 和 Milekhin 认为,一种名为 Randall-Sundrum II 的模型(也被称为是五维扭曲几何理论)就是构建这类黑洞的解决方法。该模型最早由理论物理学家 Lisa Randall 和 Raman Sundrum 提出,是为了解决粒子的层级问题,在数学上以一种五维时空对宇宙进行了描述,允许物理学家以更低的能级对一些理论进行解释。但其第五维度仅通过重力与我们所熟知的物质发生联系,因此并不能被检测到。

事实上,该模型其实就相当于是为我们已知的理论添加了许多互相之间存在强相互作用的无质量场,也正是因此,该模型才会涉及负能量的概念。

Maldacena 和 Milekhin 在论文中提出,由该模型所构建的稳定虫洞的外貌应该与于中等大小的带电黑洞类似,会产生能扰乱航天器行进轨迹的引力 “潮汐力”,航天器必须配有极强的推力装置才能成功进入这种虫洞,但进入虫洞后,航天器是否能顺利“穿越” 仍是一个问题。哈佛大学的物理研究员 Daniel Jafferis 认为,稳定虫洞虽可能存在,但实际走完该虫洞所需花费的时间,在虫洞外来看可能会比 “穿越” 不稳定虫洞要长的多。

在广义相对论中,物体的行进速度越接近光速,它所在的自身参考系内的时间流逝也就越慢,比如假设有宇航员能成功驾驶航天器借基于 Randall-Sundrum II 模型的虫洞穿越一段十万光年的距离,那么对实施穿越的宇航员来说,穿越本身可能只是一瞬的事,而对于地球上的人们来说,他们的穿越可能花费了超过一万年的时间。

人类可穿越虫洞?物理学家新研究:虫洞旅行理论上并非不可能图 | 航天器借虫洞进行 “穿越” 的假想图(来源:NASA)

尽管由于虫洞的引力,航天器并不需要额外的燃料来完成穿越,但 Maldacena 和 Milekhin 认为,由于进入虫洞内的任何事物都会被加速,因此广泛存在于宇宙空间中的宇宙背景辐射也可能会对穿越虫洞的宇航员构成致命危害,甚至抛开危害不谈,人类目前的科技水平离能造一艘 “能穿越这种虫洞” 的航天器还差的很远。

Maldacena 和 Milekhin 在论文中强调,他们的这项研究仅是为了探寻 “广义相对论与量子物理学之间的相互作用是否会允许稳定虫洞的存在”,但就结果而言,虽然我们并不知道这种虫洞是否真的在宇宙中存在,也还没有能借这种虫洞进行长距离太空旅行的技术,但至少在当前看来,科幻小说中“借虫洞旅行” 的情景在物理学上并非完全不可能。

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