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如何才能探测到虫洞?恒星怪异摆动暴露虫洞位置
2019-10-28 09:04:59  出处:新浪科技  作者:任天 编辑:雪花   点击可以复制本篇文章的标题和链接

一项新研究指出,恒星怪异的摆动行为可能会暴露虫洞的位置,如果这些传说中时空隧道真实存在的话。虫洞是科幻小说中长盛不衰的主题。多年来,在许多故事、书籍和电影中,主人公都以虫洞作为宇宙中的捷径,穿梭于相隔遥远的星球之间。根据爱因斯坦的广义相对论,虫洞的存在是有可能的,但从来没有人证实过。

这项新研究提供了一种对虫洞进行试探性侦测的可能方法,那就是寻找微小但奇怪的恒星运动。“如果有两颗恒星分别位于虫洞的两侧,那在我们这一侧的恒星应该能感受到另一侧恒星的引力影响,“研究作者之一、纽约州立大学布法罗分校的宇宙学家和物理学教授德扬·斯托伊科维奇(Dejan Stojkovic)在一份声明中说,“引力流会穿过虫洞。”

虫洞需要时空的极度扭曲,这反过来又依赖于非常强大的引力。因此,想要寻找虫洞,最好的去处很可能在星系核心的超大质量黑洞附近。比如银河系中心的人马座A*,这个超大质量黑洞拥有相当于400万个太阳的质量。斯托伊科维奇说:“如果你绘制出人马座A *周围某颗恒星的预期轨道,当那里存在虫洞,且虫洞另一侧又有一颗恒星时,你应该就会看到恒星出现偏离轨道的情况。”

他还指出,目前的观测技术还不够灵敏,无法进行这样的探测。但在未来的10年或20年里,随着仪器设备的进步,以及对合适的目标恒星(如环绕人马座A*的S2)进行长期监测,我们或许就能实现这一目标。

当然,我们还不能太过激动。即使未来天文学家能进行这样的探测,也不一定就能得到确定的结果。“当我们达到观测所需的精度时,如果检测到了S2恒星轨道的扰动,那我们可能会说,虫洞是可能性最高的解释,”斯托伊科维奇说,“但是,我们还不能说这绝对是一个虫洞。可能有其他的解释,或许虫洞这一侧有其他东西干扰了这颗恒星的运动。”

斯托伊科维奇还表示,对于太空探索而言,前景并没有我们想象的那么乐观:虫洞旅行很可能在很长一段时间内只是一个科幻梦想。“即使虫洞可以穿越,人类和宇宙飞船也很可能无法通过,”他说,“实际上,你需要一个负能量来源来保持虫洞的打开状态。我们不知道该怎么做。要创造一个巨大的稳定虫洞,你可能需要一些魔法。”

这项新研究的第一作者是中国扬州大学的戴德昌教授,他和斯托伊科维奇的这篇论文发表在本月早些时候的《物理评论D》(Physical Review D)杂志上。

什么是虫洞理论?

虫洞理论假设,存在一个理论上的时空通道,可以为穿越宇宙的长途旅行创造捷径。虫洞由爱因斯坦的广义相对论预言,又称爱因斯坦-罗森桥。不过需要小心的是,在穿越虫洞时也可能遭遇突然崩塌、高剂量辐射和有害外来物质的危险。

虫洞理论最早于1916年提出,但当时还不叫这个名称。奥地利物理学家路德维希·弗莱姆(Ludwig Flamm)回顾了另一位物理学家对爱因斯坦广义相对论中方程组的解,意识到还有另一种可能。他描述了一种“白洞”——理论上与黑洞的时间反转。黑洞和白洞的入口都可以通过时空通道连接。

1935年,爱因斯坦和物理学家纳森·罗森(Nathan Rosen)利用广义相对论详细阐述了这一观点,提出时空中存在某种“桥梁”。这些桥梁连接着时空中两个不同的点,理论上创造了一条可以缩短旅行时间和距离的捷径。这些捷径后来被称为“爱因斯坦-罗森桥”或“虫洞”。

“在这一点上,整个理论都只是假设,”美国俄勒冈大学的理论物理学教授Stephen Hsu说,“我们不可能很快就找到虫洞。”虫洞可能具有两个开口,由一个通道连接。开口很可能是球状的,而通道可能是一条直线,但也可能弯弯绕绕,比常规路径更长。

爱因斯坦的广义相对论从数学上预测了虫洞的存在,但迄今为止还没有发现虫洞。有科学家认为,我们或许可以通过观察经过虫洞的光线所受到的引力影响,来发现一个负质量的虫洞。在广义相对论的某些解中,虫洞不仅可以存在,而且每个虫洞的开口都是一个黑洞。然而,自然形成的黑洞由垂死的恒星坍缩而成,其本身并不产生虫洞。

穿越虫洞

科幻小说中充满了穿越虫洞的故事。但是,虫洞旅行的实际情况可能要复杂得多,这不仅仅是因为我们还没有发现虫洞。第一个问题是虫洞的规模。据预测,原始虫洞可以在微小的尺度上存在,大约10到33厘米。然而,随着宇宙的膨胀,有一些虫洞可能被拉伸到更大的尺寸。另一个问题是稳定性。预测中的爱因斯坦-罗森虫洞会很快坍塌,因此对星际旅行毫无用处。

“我们需要一些非常特别的物质来稳定虫洞,”Stephen Hsu说,“但现在还不清楚宇宙中是否存在这样的物质。”不过,近年的研究发现,含有“外来”物质的虫洞可能保持开启和不变的时间更长。这里所说的“外来”物质不应与暗物质或反物质相混淆,它们具有负能量密度和大的负压。这种物质只在某些真空态的行为中被视为量子场论的一部分。

如果一个虫洞包含了足够的外来物质(无论是自然产生的还是人工添加的),理论上都可以作为发送信息或太空旅行的方式。不幸的是,人类在这种时空隧道中的旅行很可能面临巨大的挑战。“现在还没有定论,所以我们并不知道,”研究相对论、黑洞和虫洞的著名物理学家基普·索恩(Kip Thorne)说,“但有很强的迹象表明,可以让人类通过的虫洞在物理定律上是不可能的。这很悲剧,很不幸,但这就是事情的发展方向。”

虫洞不仅可能连接宇宙中两个独立的区域,还可能连接两个不同的宇宙。一些科学家猜想,如果虫洞的一个开口以特定的方式移动,那或许能让时间旅行成为可能。

“你可以通过可穿越的虫洞进入未来或过去,”天体物理学家埃里克·戴维斯(Eric Davis)说,“但这并不容易,把虫洞变成时间机器需要付出巨大的努力。要弄出一个虫洞本来就够难的。”

然而,已故的英国宇宙学家斯蒂芬·霍金认为,这种利用虫洞的方式是不可能的。美国宇航局的埃里克·克里斯蒂安则写道:“虫洞并不是回到过去的一种方式,而是一条近路,使那些遥远的东西变得离我们更近。”

尽管在虫洞中加入外来物质可能会使其变得稳定,直到人类可以安全通过的程度,但也有另一种可能是,加入“常规”物质会破坏入口的稳定。即使能找到虫洞,今天的技术也不足以使其扩大或稳定。当然,科学家将继续探索这一概念,希望终有一天能利用其作为太空旅行的一种方式。“你需要一些超级先进的技术,”Stephen Hsu说,“在很长一段时间内,人类都无法做到这些。

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