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在《圣誕老人奇幻之旅》中,，我們提到“燭星”系統(tǒng)距離地球1830光年,，如果圣誕老人駕著雪橇以“新視野號(hào)”的速度（59000公里/小時(shí)）行進(jìn)，這需要大約三千多萬年的時(shí)間才能抵達(dá)地球,。即使圣誕老人快如光速也需要千年的時(shí)間,，那么他要如何在短時(shí)間內(nèi)穿越這不可能的距離？或許雪橇可以超光速,？但愛因斯坦的狹義相對(duì)論告訴我們,，沒有任何物體能夠運(yùn)動(dòng)的與光速一樣快，這是絕對(duì)被禁止的,?？磥恚フQ老人只剩下唯一的一個(gè)選擇——蟲洞,。 著名的天文學(xué)家卡爾·薩根（Carl Sagan）,，曾被科幻小說家艾薩克·阿西莫夫（Isaac Asimov）推崇為“歷史上最成功的科學(xué)普及家”,。他不僅設(shè)計(jì)了旅行者號(hào)的“星際唱片”、先驅(qū)者號(hào)的“地球名片”,，還創(chuàng)作了像《伊甸園的飛龍》,、《暗淡藍(lán)點(diǎn)》、《魔鬼出沒的世界》等膾炙人口的經(jīng)典作品,。 ○ 卡爾·薩根在科學(xué)成就和科學(xué)普及方面都極其成功,。 上個(gè)世紀(jì)80年代，薩根創(chuàng)作了極為成功的作品《宇宙》,，讓更多的人認(rèn)識(shí)到,，其實(shí)我們和宇宙之間有著千絲萬縷的聯(lián)系，正如他所寫道的：“宇宙也在我們體內(nèi),，我們都是星塵構(gòu)成的,。我們是宇宙了解其自身的途徑?！?/span> 在完成《宇宙》之后,，他決定寫一本關(guān)于星際旅行的科幻小說：《接觸》。他在書中所設(shè)計(jì)的橋段是讓女主角快速地旅行到遠(yuǎn)在26光年之外的織女星旁,。但薩根為了在科學(xué)上盡量保持精確,，于是他向他的好朋友基普·索恩（Kip Thorne）尋求建議。 ○ 基普·索恩,。| 圖片來源： 騰訊WE大會(huì) 如果你看過電影《星際穿越》,，聽說過黑洞合并輻射出的引力波，關(guān)注過2017年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),，那么就不可能不認(rèn)識(shí)基普·索恩,，他是研究愛因斯坦的引力理論——廣義相對(duì)論方面的專家。 廣義相對(duì)論方程就像是一張神秘的配方,，描述著時(shí)空（空間和時(shí)間的結(jié)合）如何被揉成各種形狀——從扁平煎餅到彎曲的羊角面包,。這些時(shí)空的形狀決定其他物體的運(yùn)動(dòng)方式。試想一下,，當(dāng)你在野餐時(shí),，看見一直路過的螞蟻。仔細(xì)觀察你會(huì)發(fā)現(xiàn)這只螞蟻繞著蘋果走的路線要比穿過餐巾紙的路線更曲折,，這就好比宇宙中的物體（行星,、彗星等）也會(huì)在彎曲的區(qū)域沿著彎曲的路徑移動(dòng)。那么,，是什么彎曲了時(shí)空,？是質(zhì)量和能量的總量與分布，例如,，太陽系的引力阱是由太陽的質(zhì)量雕刻出來的,。 ○ 質(zhì)量會(huì)彎曲時(shí)空,。 在極端情況下，聚集在足夠小區(qū)域內(nèi)的一團(tuán)物質(zhì)會(huì)撕裂時(shí)空的結(jié)構(gòu),，導(dǎo)致所謂的奇點(diǎn)——一個(gè)密度無窮大的點(diǎn),。在這一點(diǎn)上，時(shí)空似乎走到了盡頭,。這并非科幻小說中的情節(jié),，而是廣義相對(duì)論的核心方程的史瓦西解的情況。史瓦西解描述的是超致密的,、坍縮的恒星核——黑洞,。 ○ 史瓦西度規(guī)是真空愛因斯坦場(chǎng)方程的一個(gè)解。仔細(xì)看史瓦西解就會(huì)發(fā)現(xiàn)當(dāng) r = 2M（r 為半徑,，M 為質(zhì)量）時(shí)出現(xiàn)的奇異性,，這個(gè)半徑也被稱為史瓦西半徑。不僅如此,，當(dāng)半徑為零時(shí)（r = 0),，史瓦西的解中也具有奇異性,，我們對(duì)其最好的理解是,，這些奇異性標(biāo)記著時(shí)空中真正的物理奇點(diǎn)（r = 2M的奇異性可以通過坐標(biāo)變換予以消除），幾何自身在奇點(diǎn)處失效,。如果你進(jìn)入一個(gè)史瓦西黑洞,，你就會(huì)遇到這個(gè)奇點(diǎn)，但我們不知道接下來會(huì)發(fā)生什么,，甚至說不確定“接下來”是否是個(gè)恰當(dāng)?shù)脑~,。 1935年，當(dāng)時(shí)在普林斯頓高等研究院的愛因斯坦和內(nèi)森·羅森（Nathan Rosen）對(duì)史瓦西解的重新解釋,，避免了這些奇點(diǎn),。他們?cè)O(shè)想了一個(gè)時(shí)空隧道，可以連接兩個(gè)相距遙遠(yuǎn)的區(qū)域,，這被稱為“愛因斯坦-羅森橋”,。上世紀(jì)60年代，索恩的博士導(dǎo)師,、創(chuàng)造“黑洞”一詞的那位富有創(chuàng)造力的物理學(xué)家——約翰·惠勒（John Wheeler）將這些連接稱為“蟲洞”,。試想有一只蟲子，如果它想從一端爬到另一端,，最快的方法就是抄近道：直接穿過蘋果內(nèi)部,。 當(dāng)薩根聯(lián)系索恩時(shí)，索恩設(shè)想了一個(gè)類似史瓦西蟲洞的東西,，連接著空間中兩個(gè)遙遠(yuǎn)的部分,，可以說是一條星際隧道,。 但索恩意識(shí)到，史瓦西蟲洞是行不通的,。首先,，它非常不穩(wěn)定，即使是一點(diǎn)點(diǎn)質(zhì)量的引力作用也會(huì)導(dǎo)致它的崩塌,。因此,，如果一艘宇宙飛船試圖進(jìn)入史瓦西蟲洞，蟲洞就會(huì)關(guān)閉,。而且,，如果蟲洞的入口位于一個(gè)黑洞的內(nèi)部，旅行者將會(huì)遭遇到致命的輻射,、讓人粉身碎骨的引力,，以及足以讓人惡心反胃的加速度。 索恩和邁克爾·莫里斯（Michael Morris）想出一個(gè)替代方案,，他們找到了廣義相對(duì)論方程的一種新穎的解,，這種解是一個(gè)可以被人類旅行者穿越的蟲洞。 如何穿越蟲洞,？ 這個(gè)解決方案是專門為消除進(jìn)入黑洞的麻煩而設(shè)計(jì)的,，可以相對(duì)快速、舒適地通過蟲洞,。進(jìn)入蟲洞的“洞口”（入口）,，然后穿過蟲洞的“咽喉”（通道），旅行者會(huì)發(fā)現(xiàn)自己從空間中另一處的另一個(gè)口里冒出來,。如果一切順利,，她將迅速到達(dá)另一顆恒星附近，而不是經(jīng)過數(shù)百年甚至更長(zhǎng)的時(shí)間才能到達(dá),。 莫里斯和索恩意識(shí)到,，他們的計(jì)劃是極端假設(shè)性的，需要一個(gè)幾乎不可思議的工程壯舉才能實(shí)現(xiàn),。首先,，創(chuàng)造蟲洞所需的質(zhì)量相當(dāng)于一個(gè)星系的質(zhì)量。此外,，還需要一種新的被稱為“奇異物質(zhì)”的負(fù)能量密度的材料,，來撐開蟲洞的喉嚨，防止它坍塌,。然而,，沒有什么已知物質(zhì)的質(zhì)量是負(fù)的。 惠靈頓維多利亞大學(xué)的物理學(xué)家馬特·維瑟（Matt Visser）提出了一些讓人保持樂觀的理由，他很快就找到了一種方法,，將所需的異常物質(zhì)的質(zhì)量降至最低,。正如他和其他人指出的那樣，奇異物質(zhì)具有與量子真空能量相同的特征,，量子真空是粒子物理的基態(tài),，具有能夠產(chǎn)生排斥力的負(fù)壓強(qiáng)。 也許未來的文明能夠開采出足夠的能量來建造蟲洞,。被稱為“幽靈能量”（phantom energy）的假想能量——一種具有相當(dāng)大負(fù)壓強(qiáng)的暗能量,，被用來解釋宇宙膨脹的加速度——也有望成為穩(wěn)定蟲洞的潛在方法。 在莫里斯和索恩發(fā)表第一篇論文后不久,，他們與索恩在加州理工學(xué)院的另一名博士生烏爾維·尤爾瑟弗（Ulvi Yurtsever）合作,，撰寫了另一篇引人注目的文章，展示蟲洞如何能夠被用作時(shí)間機(jī)器,。 關(guān)鍵是要加速蟲洞的一個(gè)洞口,，使之接近光速，同時(shí)讓另一個(gè)洞口保持靜止,。狹義相對(duì)論的時(shí)間膨脹現(xiàn)象告訴我們,，相對(duì)于一個(gè)靜止的觀察者，在一個(gè)接近光速的物體附近的時(shí)間會(huì)顯著減慢,。因此,，雖然靜止的洞口已經(jīng)經(jīng)過了100年，而高速的洞口——如果它的速度足夠快——或許只經(jīng)過了一年時(shí)間,。如果前者的日歷顯示的是2118年,，那么后者的日歷就是2019年,。假設(shè)一個(gè)太空旅行者在2118年航行到蟲洞固定的口,，如果通過蟲洞喉嚨的速度足夠快，她將在2019年從蟲洞移動(dòng)的洞口里出來,。 回到過去 如果在打開這篇文章之前,，你曾在猶豫過自己出了閱讀這篇文章還可以做些什么，那么現(xiàn)在你或許有了答案——假設(shè)你有一艘先進(jìn)的宇宙飛船和一個(gè)宇宙定位系統(tǒng)（CPS）裝置,，只要找到一個(gè)蟲洞,，穿過它，回到你開始閱讀這篇文章之前的時(shí)間,，說服自己去打一局游戲就可以了,。 然而，有人提醒說,，你的行為會(huì)造成一個(gè)悖論,，因?yàn)槿绻銖奈醋x過這篇文章，你就不知道如何回到過去（或者至少?zèng)]有必要）。 為了避免諸如此類的悖論,，比如遇見過去的自己并說服自己永遠(yuǎn)不要追求時(shí)間旅行,，或者回到過去并意外地消滅自己的祖先，一些物理學(xué)家斷言,，穿越回過去的時(shí)間旅行是不可能的,。例如，斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）提出了時(shí)序保護(hù)猜想,，以保護(hù)過去不受篡改,。 其他人，比如莫斯科州立大學(xué)和俄羅斯列別捷夫物理研究所的伊戈?duì)枴ぶZ維科夫（ Igor Novikov）則在他所謂的“自我一致性原則”中提出,，通向過去的時(shí)間航行沒有問題,，只要改變的過去與現(xiàn)在保持一致，也就是說,，它確實(shí)應(yīng)該發(fā)生,。例如，如果你回到過去,，說服卡爾·薩根,，蟲洞不適合他的小說，也許這就是他需要聯(lián)系基普·索恩,、看看蟲洞是否適合的動(dòng)機(jī),，而這導(dǎo)致了后來實(shí)際發(fā)生的事情。 最后,，有一些人推測(cè),，逆時(shí)間旅行可能會(huì)導(dǎo)致時(shí)間分叉，從而通向平行現(xiàn)實(shí),。 無論如何,，索恩、莫里斯,、尤爾瑟弗,、諾維科夫、霍金,、維瑟等人的工作推動(dòng)了對(duì)時(shí)空旅行和蟲洞的討論,，使之從充滿幻想的科幻小說發(fā)展為嚴(yán)肅的、同行評(píng)議的（盡管是高度推測(cè)性的）科學(xué),。 誰知道呢,，也許有一天，我們的文明會(huì)進(jìn)步到足以驗(yàn)證這些深遠(yuǎn)的假設(shè),，并創(chuàng)造或發(fā)現(xiàn)真正的蟲洞,。只有時(shí)間會(huì)告訴我們答案。如果蟲洞存在，我們就擁有了世界上所有的時(shí)間,。 ER = EPR ○ 近年來,，物理學(xué)家提出了不需要奇異物質(zhì)也可以穿越的蟲洞。這類型的蟲洞引起了廣泛的注意,，因?yàn)樗哂袔椭锢韺W(xué)家解決黑洞信息悖論的潛力,。這其中與ER=EPR有關(guān)。關(guān)于黑洞信息悖論可閱讀：《他留下了一個(gè)謎題》,，關(guān)于ER=EPR可閱讀：《愛麗絲蟲洞奇遇記》,。 編譯：Zwicky 參考鏈接： https://www./wgbh/nova/article/wormholes-as-time-machines/ https://www./newfound-wormhole-allows-information-to-escape-black-holes-20171023/ http://adsabs./abs/1988AmJPh..56..395M https://journals./prd/abstract/10.1103/PhysRevD.39.3182 https://journals./prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.61.1446 https://journals./prd/abstract/10.1103/PhysRevD.46.603 https:///pdf/1608.05687.pdf |
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