後續:到底什麼是“蟲洞”?蟲洞已被證明存在還是仍然是理論性的?

理查德·F·霍爾曼是卡內基梅隆大學的物理學教授。他提供了以下回復

蟲洞是愛因斯坦引力場方程的解,它充當“隧道”,以這樣一種方式連線時空中的點:透過蟲洞在點之間旅行所需的時間可能比透過正常空間旅行所需的時間少得多。

第一個類似蟲洞的解是透過研究黑洞的數學解而發現的。在那裡人們發現,該解本身可以擴充套件,其幾何解釋是兩個黑洞幾何體的副本,透過一個“喉嚨”(稱為愛因斯坦-羅森橋)連線。這個喉嚨是一個動態物體,附著在兩個孔上,非常迅速地收縮成它們之間狹窄的連線。


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理論家後來發現了其他蟲洞解;這些解將蟲洞任一端的各種幾何形狀連線起來。蟲洞的一個驚人之處在於,因為它們可以充當時空中的“捷徑”,所以它們必須允許時間倒流!這個特性可以追溯到通常的說法,即如果一個人可以以比光速更快的速度旅行,那就意味著我們可以與過去交流。

毋庸置疑,這種可能性令人不安;時間旅行會導致各種悖論情況,例如回到過去並在你父親出生之前殺死你的祖父(祖父悖論)。現在的問題是,是否有可能實際構建一個蟲洞,並以一種使其成為可用的時間機器的方式移動它。

蟲洞幾何結構本質上是不穩定的。唯一可以用來穩定它們以防止收縮的材料是具有負能量密度的材料,至少在某些參考系中是如此。沒有任何經典物質可以做到這一點,但各種場中的量子漲落可能可以做到。

史蒂芬·霍金推測,雖然蟲洞可能會被創造出來,但它們不能用於時間旅行;即使有奇異物質穩定蟲洞以防止自身的不穩定性,他認為,將粒子插入其中也會迅速使其不穩定,從而阻止其使用。這被稱為時間保護猜想。

蟲洞是很有趣的理論,而且似乎是愛因斯坦方程的有效解。然而,沒有關於它們的實驗證據。這不應阻止任何有抱負的科幻小說作家在需要時使用它們!

威廉·A·希斯科克是蒙大拿州立大學博茲曼分校的物理學教授,也是蒙大拿太空資助聯盟的主任。他補充了一些細節

蟲洞是時空中類似隧道的連線,很像蠕蟲在(牛頓)蘋果中鑽出的真實隧道。目前,時空蟲洞只是從廣義相對論推匯出的理論結構;沒有關於它們存在的實驗證據。然而,理論物理學家研究包含蟲洞的時空的數學特性,因為它們具有不尋常的特性。對這種奇怪幾何形狀的研究可以更好地區分廣義相對論理論中允許的行為邊界,並且可能還會提供對與量子引力相關的效應的見解。

蟲洞有兩個由“喉嚨”連線的入口,並提供了一條旅行者可以遵循到達遙遠點的路徑。透過蟲洞的路徑在拓撲結構上與人們可以遵循到達同一目的地的其他路徑不同。

拓撲結構上的不同是什麼意思?如果一隻螞蟻想從蘋果的一側爬到另一側,則表面上有許多可能的路徑將起點連線到目的地。這些路徑在拓撲結構上並不不同:固定在起點和終點,並且沿著這樣一條路徑延伸的彈性繩子,可以在表面上滑動和拉伸,以沿著任何其他這樣的路徑延伸。現在想象一下,螞蟻實際上是透過蘋果中的蟲洞爬行的。一條穿過蟲洞的繩子不能平滑移動,從而沿著一條表面路徑延伸(或者穿過具有相同端點但路線不同的另一個蟲洞)。

為了科幻小說的目的,通常假設時空中的蟲洞代表了一條捷徑——透過在蟲洞隧道中旅行一小段距離,你可能會到達一個透過傳統空間可能需要數光年的目的地。然而,就蟲洞的理論物理學而言,沒有特別的理由表明距離必須更短;蟲洞實際上可能是更長的路線(類似於蠕蟲可能在蘋果中留下一個又長又複雜、扭曲的洞,其中入口和出口口可能在表面上彼此非常接近)。

蟲洞可以存在於愛因斯坦方程的經典黑洞解中。然而,這些蟲洞對旅行毫無用處,因為它們會在任何宇宙飛船(甚至是一束光)透過之前就坍塌。此外,坍塌的恆星形成的黑洞根本沒有相關的蟲洞。

“可穿越”蟲洞存在於蟲洞時空中,其中蟲洞至少保持開放足夠長的時間,以便訊號或物體(宇宙飛船)透過。當加州理工學院的邁克爾·莫里斯和基普·索恩檢查蟲洞保持開放所需的一般特性時,對廣義相對論中這種蟲洞解的興趣被激發了。他們發現,如果蟲洞是靜態且隨時間不變的,那麼它必須包含“奇異”物質。這種物質具有負能量密度和很大的負壓(或張力)——其幅度大於能量密度。這種物質被稱為“奇異”物質,因為它與所有已知形式的物質非常不同。

物理學家和化學家熟悉的所有形式的物質都具有正能量密度(或等效地,正質量),並且壓力或張力在幅度上總是小於能量密度。例如,在拉伸的橡皮筋中,密度是張力的 1014 倍,或者說是 1 億億倍。理論物理學已知的“奇異”物質的唯一可能來源在於量子場論中某些真空狀態的行為。這種可能性是目前大多數涉及蟲洞的理論研究的重點。

這種研究表明,似乎很難利用量子效應來開啟比與量子引力相關的特徵長度(稱為普朗克長度,約為 10-33 釐米)大得多的蟲洞。如果蟲洞沒有大得多,那麼它不僅對運輸宇宙飛船毫無用處,而且還需要量子引力來描述這個洞。

L.H.福特和T.A.羅曼、佈雷特·E·泰勒、威廉·A·希斯科克和保羅·R·安德森等人對蟲洞時空中量化場的行為進行的分析表明,量子場效應不太可能使宏觀蟲洞保持開放。另一方面,戴維·霍克伯格、A.D.波波夫和謝爾蓋·V·蘇什科夫利用量子標量場的近似表示式找到了蟲洞解,但必須對其工作中的量子引力的(未知)引數做出一些假設。

雖然目前看來自然界不太可能允許宏觀蟲洞的存在,但論證中仍然存在足夠的不確定性,以允許理論物理學家繼續研究時空這種奇怪而有趣的方面。

來自聖路易斯華盛頓大學的物理學助理教授馬特·維塞爾的另一個回覆

蟲洞是在對愛因斯坦引力理論(廣義相對論)的理論分析中出現的假設實體。沒有人見過蟲洞,我們也不確定它們是否存在,但是當我們進行計算時,它們似乎很容易出現,因此許多物理學家懷疑它們實際上可能存在於真實的宇宙中。

物理學家感興趣的蟲洞主要有兩種型別:洛倫茲蟲洞(廣義相對論)和歐幾里得蟲洞(粒子物理學)。

洛倫茲蟲洞本質上是穿越空間和時間的捷徑。它們主要由愛因斯坦引力的專家研究,如果它們存在於現實生活中,則或多或少類似於《星際迷航:深空九號》中的蟲洞。(但請記住,該節目只是娛樂,所以不要試圖從 DS9 中提取詳細的物理學;它最多隻會給你一個關於正在發生的事情的大概的總體概念。)

關於洛倫茲蟲洞的好訊息是,經過大約十年的努力,我們無法證明它們不存在。壞訊息是它們是非常奇怪的物體:如果它們存在,它們需要大量的負質量才能保持開放並阻止它們坍塌。(負質量不是反物質,它是一個宇宙能量小於普通真空能量的區域——絕對是奇怪的東西。)我們可以在實驗室中獲得少量的負能量(卡西米爾效應),但是利用當前技術獲得保持一個像樣的洛倫茲蟲洞開放所需的大量負能量似乎是毫無希望的。(並且可能存在深層的原則問題阻止我們在一個地方收集大量的負能量。)

如果洛倫茲蟲洞確實存在,那麼從經典的角度來看,似乎相對容易將它們變成時間機器。這個令人尷尬的特性導致史蒂芬·霍金提出了他的時間保護猜想。根據這個猜想,量子效應將共同阻止時間旅行,即使經典物理學看起來可能允許時間旅行發生。

歐幾里得蟲洞更奇怪:它們存在於“虛時間”中,並且本質上是虛擬的量子力學過程。這些歐幾里得蟲洞主要引起粒子物理學家(量子場論學家)的興趣。你不能從一個表現良好的經典引力場的角度給它們一個好的經典解釋,而且不幸的是,你必須瞭解很多量子物理學才能理解它們的基本性質。

關於洛倫茲蟲洞的通俗易懂的描述,可以參考基普·S·索恩的著作《黑洞與時間彎曲:愛因斯坦的驚人遺產》(諾頓出版社,紐約,1994年)。

英國廣播公司(BBC)的《地平線》系列紀錄片中有一集:《時間領主》,朱迪思·邦廷,1996年12月2日。

如果你瞭解一些微分幾何、廣義相對論和量子場論(難度不小),你可能會想看看馬特·維瑟的《洛倫茲蟲洞:從愛因斯坦到霍金》(美國物理學會出版社,紐約,1995年)。

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