2011年12月21日 星期三

虫洞

早在19世紀50年代,已有科学家對“虫洞”作過研究,由於當時歷史條件所限,一些物理 學家認為,理論上也許可以使用“虫洞”,但“虫洞”的引力過大,會毀滅所有進入的東西,因此不可能用在宇宙航行上。 
瞬间移动”的可能,如同超時空轉換。
  隨著科學技術的發展,新的研究發現,“虫洞”的超強力场可以透過“负质量”來中和,達到穩定“虫洞”能量場的作用。科學家認為,相對於產生能量的“正物質”,“反物质”也擁有“負質量”,可以吸去周遭所有能量。像“虫洞”一樣,“負質量”也曾被認為只存在於理論之中。不過,目前世界上的許多實驗室已經成功地證明了“負質量”能存在於现实世界,並且透過太空飛行器在太空中捕捉到了微量的“負質量”。
  據科學家猜測,宇宙中充斥著數以百萬計的“虫洞”,但很少有直徑超過10萬公里的,而這個寬度正是太空飛船安全航行的最低要求。“負質量”的發現為利用“虫洞”創造了新的契機,可以使用它去擴大和穩定細小的“虫洞”。
  科學家指出,如果把“負質量”傳送到“虫洞”中,把“虫洞”打開,並強化它的架構,使其穩定,就可以使太空飞船透過。
坦的思想實驗,發現宇宙時空自身可以不是平坦的。如果恒星形成了黑洞,那麼時空在史瓦西半径,也就是视界的地方與原來的時空垂直。在不平坦的宇宙時空中,這種架構就意味著黑洞視界內的部分會與宇宙的另一個部分相結合,然後在那裡產生一個洞。這個洞可以是黑洞,也可以是白洞。而這個彎曲的視界,就叫做史瓦西喉,它就是一種特定的虫洞。(右圖片繪製︰张嘉年)
  自從在史瓦西解中發現了虫洞,物理學家們就開始對虫洞的性質發生了興趣。
  虫洞連接黑洞和白洞,在黑洞與白洞之間傳送物質。在這裡,虫洞成為一個阿爾伯特‧愛因斯坦─羅森橋,物質在黑洞的奇点  被完全瓦解  基本粒子,然後透過這個虫洞(即阿爾伯特‧愛因斯坦─羅森橋)被傳送到白洞並且被輻射出去。
  虫洞還可以在宇宙的正常時空中顯現,成為一個突然出現的超时空管道。理論推出的虫洞還有許多特性,限於篇幅,這裡不再贅述。
  總之,目前我們對黑洞、白洞和虫洞的本質了解還很少,它們還是神祕的東西,很多問題仍需要進一步探討。目前天文学家已經間接地找到了黑洞,但白洞、虫洞並未真正發現,還只是一個經常出現下科幻作品中的理論名詞。
  虫洞也是霍金構想的宇宙期存在的一種極細微的洞穴。美國科學

家對此做了深入的研究。目前的宇宙中,“宇宙項”幾乎為零。所謂的宇宙項也稱為“真空的能量”,在沒有物質的空間中,能量也同樣存在其內部,這是由愛因史丹所匯入的。宇宙初期的膨胀宇宙,宇宙項是必須的,而且,在基本粒子論裡,也認為真空中的能量是自然呈現的。那麼,為何目前宇宙的宇宙項變為零呢?柯爾曼說明︰在爆炸以前的初期宇宙中,虫洞連接著很多的宇宙,很巧妙地將宇宙項的大小調整為零。結果,由一個宇宙可能產生另一個宇宙,而且,宇宙中也有可能有無數個這種微細的洞穴,它們可通往一個宇宙的過去及未來,或其他的宇宙。
  旋轉的或帶有電荷的黑洞內部連接一個相應的白洞,你可以跳進黑洞而從白洞中跳出來。這樣的黑洞和白洞的組合叫做虫洞。
  最後,即使虫洞存在並且是穩定的,穿過它們也是十分不愉快的。貫穿虫洞的輻射(來自附近的恆星,宇宙的微波背景等等)將蓝移到非常高的頻率。當你試著穿越虫洞時,你將被這些X射线和伽玛射线烤焦。虫洞的出現,幾乎可以說是和黑洞同時的。
编辑本段相關理論
  虫洞有幾種說法︰
  一是空間中的隧道,它就像一個球,你要是沿球面走就遠了。但如果你走的是球裡的一條直徑就近了,虫洞就是直徑。
  二是黑洞與白洞的聯繫。黑洞可以產生一個勢阱,白洞則可以產生一個反勢阱。宇宙是三維的,將勢阱看作第四维,那麼虫洞就是連接勢阱和反勢阱的第五维。假如畫出宇宙、勢阱、反勢阱和虫洞的圖像,它就像一個克莱因瓶──瓶口是黑洞,瓶身和瓶頸的交界處是白洞,瓶頸是虫洞。
  三是你說的時間隧道,根據愛因史丹所說的你可以進行时间旅行,但你只能看,就像看電影,卻無法改變發生的事情,因為時間是線行的,事件就是一個個珠子已經穿好,你無法改變珠子也無法調動順序
  到現下為止,我們討論的都是普通“完美”黑洞。細節上,我們討論的黑洞都不旋轉也沒有電荷。如果我們考慮黑洞旋轉同時/或者帶有電荷,事情會變的更複雜。特別的是,你有可能跳進這樣的黑洞而不撞到奇點。結果是,旋轉的或帶有電荷的黑洞內部連接一個相應的白洞,你可以跳進黑洞而從白洞中跳出來。這樣的黑洞和白洞的組合叫做虫洞。
  白洞有可能離黑洞十分遠;實際上它甚至有可能在一個“不同的宇宙”--那就是,一個時空區域,除了虫洞本身,完全和我們在的區域沒有連接。一個位置方便的虫洞會給我們一個方便和快捷的方法去旅行很長一段距離,甚至旅行到另一個宇宙。或許虫洞的退場門停在過去,這樣你可以透過它而逆著時間旅行。總的來說,它們聽起來很酷。
  但在你認定那個理論正確而打算去尋找它們之前,你因該知道兩件事。首先,虫洞幾乎不存在。正如我們上面我們說到白洞時,只因為它們是方程組有效的數學解並不表明它們在自然中存在。特別的,當黑洞由普通物質坍塌形成(包括我們認為存在的所有黑洞)並不會形成虫洞。如果你掉進其中的一個,你並不會從什麼地方跳出來。你會撞到奇點,那是你唯一可去的地方。
  還有,即使形成了一個虫洞,它也被認為是不穩定的。即使是很小的擾動(包括你嘗試穿過它的擾動)都會導致它坍塌。
  在史瓦西發現了史瓦西黑洞以後,理论物理學家們對愛因史丹常方程的史瓦西解進行了幾乎半個世紀的探索。包括上面說過的克尔解、雷斯勒──諾斯特朗姆解以及後來的纽曼解,都是圍繞史瓦西的解研究出來的成果。我在這裡將介紹給大家的虫洞,也是史瓦西的後代。
  虫洞在史瓦西解中第一次出現,是當物理學家們想到了白洞的時候。他們透過一個愛因史丹的思想實驗,發現時空可以不是平坦的,而是彎曲的。在這種情況下,我們會十分的發現,如果恆星形成了黑洞,那麼時空在史瓦西半徑,也就是視界的地方是與原來的時空完全垂直的。在不是平坦的宇宙時空中,這種架構就以為著黑洞的視界內的部分會與宇宙的另一個部分相結合,然後在那裡產生一個洞。這個洞可以是黑洞,也可以是白洞。而這個彎曲的視界,叫史瓦西喉,也就是一種特定的虫洞。
  自從在史瓦西解中發現了虫洞,物理學家們就開始對虫洞的性質感
到好奇。
  我們先來看一個虫洞的經典作用︰連接黑洞和白洞,成為一個愛因史丹──罗森橋,將物質在黑洞的奇點處被完全瓦解為基本粒子,然後透過
黑洞和黑洞之間也可以透過虫洞連接,當然,這種連接無論是如何的將強,它還是僅僅是一個連通的“宇宙監獄”。
  虫洞不僅可以作為一個連接洞的工具,它還在宇宙的正常時空中出現,成為一個突然出現下宇宙中的超空间管道。
  虫洞沒有視界,它有的僅僅是一個和外界的分解面。虫洞透過這個分解面和超空間連接,但是在這裡时空曲率不是無限大。就好比在一個在平面中一條曲线和另一條曲線相切,在虫洞的問題中,它就好比是一個四維管道和一個三維的空間相切,在這裡時空曲率不是無限大。因而我們現下可以安全地透過虫洞,而不被巨大的引力所摧毀。
  利用相对论在不考慮一些量子效應和除引力以外的任何能量的時候,我們得到了一些十分簡單、基本的關於虫洞的描述。這些描述十分重要,但是由於我們研究的重要是黑洞,而不是宇宙中的洞,因此我在這裡只簡單介紹一下虫洞的性質,而對於一些相關的理論以及這些理論的描述,這裡先不涉及。
  虫洞有些什麼性質呢?最主要的一個,是相對論中描述的,用來作為宇宙中的高速火車。但是,虫洞的第二個重要的性質,也就是量子理论告訴我們的東西又明確的告訴我們︰虫洞不可能成為一個宇宙的高速火車。虫洞的存在,倚賴於一種奇異的性質和物質,而這種奇異的性質,就是負能量。只有負能量才可以維持虫洞的存在,保持虫洞與外界時空的分解面持續打開。當然,狄拉克在芬科爾史丹參照系的基礎上,發現了參照系的選擇可以幫助我們更容易或者難地來分析物理問題。同樣的,負能量在狄拉克的另一個參照系中,是非常容易實現的,因為能量的表現形式和觀測物體的速度有關。這個結論在膜規範理論中同樣起到了十分重要的作用。根據參照系的不同,負能量是十分容易實現的。在物體以近光速接近虫洞的時候,在虫洞的周遭的能量自然就成為了負的。因而以接近光速的速度可以進入虫洞,而速度離光速太大,那麼物體是無論如何也不可能進入虫洞的。這個也就是虫洞的特殊性質之一。

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