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德国科学家称虫洞可打开或实现星际旅行(图)

发布时间:2012年03月19日 13:57 | 进入复兴论坛 | 来源:新浪科技 | 手机看视频


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  虫洞一直以来都是科学家和科幻迷们热议的话题之一。这种一种神奇的时空通道,你从虫洞的这一端进入,当你从另一端出来时,你可能已经身处冥王星,甚至远在数百万光年外的仙女座星系

美国宇航局钱德拉X射线空间望远镜拍摄的人马A中心区域影像

  仙女座大星系(M31)距离银河系约260万光年,和银河系以及周围其它几个伴星系共同组成一个星系群

  这是一个引力透镜效应的实例:位于图像中央位置的一个大质量星系群具有强大引力,导致其后方远处星系传来的光线被完全并呈现多重假象。在这一案例中,充当前景引力透镜体的星系群编号为SDSS J1004+4112,位于小狮座方向,距离地球约70亿光年。图像由哈勃空间望远镜拍摄

  北京时间3月19日消息,据国外媒体报道,虫洞一直以来都是科学家和科幻迷们热议的话题之一。这种一种神奇的时空通道,你从虫洞的这一端进入,当你从另一端出来时,你可能已经身处冥王星,甚至远在数百万光年外的仙女座星系。

  当然,毫不奇怪的,至今还没有任何人曾经真正制造出这样一个虫洞设备,甚至连接近造出的进展都没有。其中的一大原因就是虫洞极不稳定,即使是在论文中,科学家们也已经注意到它们有着会在一瞬间关闭的强烈趋势,除非有某种具有负能量的特殊“物质”才能让其保持开放,但这种物质本身是否存在仍然存有很大的疑问。

  再现曙光

  但是现在这一切似乎都将出现改变。一个由德国和希腊科学家组成的国际小组最近证明,制造出一个冲动或许并不需要用到任何这种奇异的负能量物质。来自德国奥登堡大学的波柯哈德·克莱豪斯(Burkhard Kleihaus)表示:“你甚至连具有正能量的常规物质都不需要。虫洞不需要任何东西就可保持开放。”

  这项发现开启了一项潜在的可能性,那就是我们或许将来有朝一日会在太空中找到一个虫洞。宇宙中那些远比我们先进的技术文明或许早已开始利用虫洞这种星际地铁系统往返于广袤的宇宙空间。甚至最终我们自己也将可以利用这种虫洞交通系统作为我们通往其它宇宙的通道。

  虫洞的概念最早出现还要追溯到爱因斯坦提出的广义相对论,在这一理论中,爱因斯坦指出引力是一种假象,它的本质是由于能量引起的时空弯曲,最常见的这一现象就是由大质量的恒星和星系导致的。就在1916年爱因斯坦发表他的论文后不久,奥地利物理学家德维希弗·弗拉姆(Ludwig Flamm)便发现这一理论将可以导出某种穿越时空的“通道”。

  但对虫洞这一概念进行详细研究的还是爱因斯坦本人,他和另一位著名的物理学家内森·罗森(Nathan Rosen)一起进行了这项研究工作。在1935年,他们提出了一种连接两个黑洞的时空通道的概念,即所谓的爱因斯坦-罗森桥。但是要想穿越这条时空隧道,就必须要求这条隧道两端的黑洞是某一特定的类型。传统定义中的黑洞具有极强的引力效应,物质一旦在其作用下穿越一道所谓“视界”的终极界限便将万劫不复,永远无法逃离。而在爱因斯坦和罗森的理论中,物质将可以穿过这条通道的两端。

  爱因斯坦和罗森构建他们的这一理论似乎仅仅是出于一种好奇心,那就是:虫洞通向的目的地几乎是无法想象的。虫洞能带我们去往的目的地是另一个平行宇宙中的某一空间区域,在那个宇宙中或许有着它们自己的星系,恒星和行星。当然对于今天的科学界来说这样的假设是非常合理而自然的,但是在爱因斯坦和罗森生活的年代,这种想法几乎是让人难以想象的。

  幸运的是,在广义相对论中还允许出现另一种类的虫洞。1955年,美国物理学家约翰·惠勒(John Wheeler)证明有可能将我们这一宇宙中的两处不同区域连接起来,并以此实现高速的星际旅行。他在这里正式采用了“虫洞”这一吸引人眼球的名字,而他本人对于黑洞的命名也曾做出贡献。但是他的这一虫洞版本同爱因斯坦-罗森的版本都具有同样的缺陷,那就是它们非常不稳定。即便是让一颗光子进入其内部都将立即引起黑洞视界的形成并导致虫洞关闭。

  打破僵局

  有趣的是,将这一僵局进一步向前推动的却是一位美国的行星天文学家卡尔·萨根。在他的科幻小说《超时空接触》中,他需要构思一种在科学上能站得住脚的高速星际旅行方式,以便让他笔下的女英雄实现在时空中的穿梭。这部小说后来被拍成了同名电影,片中的女主角艾莉由著名美国女演员朱迪·福斯特饰演。于是困扰的萨根向加州理工学院理论物理学家基普·索恩(Kip Thorne)求助,后者很快意识到虫洞的概念可以帮助解决这一问题。1987年,索恩和他的研究生麦克·莫里斯(Michael Morris)和尤里·约瑟夫(Uri Yertsever)一起,提出了一种可以实现星际旅行的虫洞方案。他们证明,如果能找到某种具有负能量的物质,那么只要使用足够多的这种物质,其负能量性质将产生对引力的自然对抗,如此便能保持虫洞的开放。

  而负能量物质也并没有它的名字听上去那么荒谬。想象两块平行放置的金属片,一同置于真空中。如果你将这两块金属片不断相互接近,它们当中相隔的真空区域将具有负能量——即这里具有较之外部真空区域更低的能量。这是因为正常状态下的真空就像是波涛汹涌的大海,而当两块金属片非常接近时,较大的波浪将无法通过,于是便被排除在外。于是留在两块金属片之间区域的能量就将少于外侧其它区域。

  不幸的是这样的负能量实在太微不足道,根本无法用于维持虫洞的开放。事实上,索恩和他的合作者们提出的虫洞开放策略将需要巨大的负能量来源,其总量几乎将相当于一颗普通恒星在一年中释放出的能量中的很大一部分。

  回到之前的话题,或许我们将可以找到某种方法来绕过这一难题?到目前为止,所有的虫洞理论提出的基础都是以爱因斯坦的广义相对论不谬为前提的。但事实上这样的前提或许并不是牢固的。首先,这一理论在黑洞视界范围内将会失效,并且也无法用于解释宇宙极早期的现象。而描述微观世界的量子理论却取得了巨大的成功,它几乎可以解释一切事物,从地面为什么是坚硬的,到太阳为什么可以发光。很多研究者都认为,爱因斯坦的相对论一定是某种更加深刻理论的一种近似。

  超越爱因斯坦

  人们对于这一更深层次理论的最初探索出现在1921年。当时物理学家西奥多·卡鲁扎(Theodor Kaluza)和奥斯卡·克莱(Oskar Klein)受到爱因斯坦理论的启发,爱因斯坦指出引力是一种错觉,它实际上只是四维时空的弯曲,他巧妙地将传统的三维空间和时间结合在了一起。他们两人进一步发展了这一理论,并证明引力和电磁力实际上都可以用一个五维空间的弯曲来进行解释。在那之后,弦理论更是指出,自然界中的所有4种基本力都可以用10纬空间的弯曲来进行解释。

  很不幸,当维度超过四维时,这一强大的理论将禁止虫洞的存在,除非有强大的负能量可以维持它的开放状态。2002年,俄罗斯莫斯科引力和基础测量中心的克里尔·布罗尼科夫(Kirill Bronnikov)和韩国首尔梨花女子大学的金宋万(音译:Sung-Won Kim)共同提出了一种新的可能性,他们提出了一种不需要负能量物质维持开放的虫洞方案。他们基于膜理论原理提出了一系列新的虫洞备选方案。膜理论认为我们所处的世界是一座四维孤岛,它漂浮在更高的维度之海中。布罗尼科夫说:“我们不需要任何幽灵般的物质就可以让虫洞保持任意大小。”

  然而像弦理论这类涉及高维的理论都极端复杂。同样来自德国奥登堡大学的克莱豪斯的同事约塔·昆兹(Jutta Kunz)和希腊约阿尼纳大学的帕那吉塔·坎提(Panagiota Kanti)最近正在从事对爱因斯坦理论的拓展工作,试图使其更加便于处理。这一理论体系最简略的形式名为DEGB理论。

  如果更高的维度处于卷缩状态,它们可以变得非常微小,这也就解释了为何我们通常无法直接感受到它们存在的原因。而让弦理论中涉及的另外6个维度卷缩的过程又会形成几个新的力场。和广义相对论将引力概括为时空的弯曲类似,DEGB理论中的引力同样有赖于时空和更高维度上的弯曲。

  将这种理论应用于引力方程之后,克莱豪斯和他的同事们找到了有关虫洞的一个解。它不需要任何负能量来维持自身的开放,或者更加准确的说,是根本不需要任何物质来维持自身的开放。

  其它研究人员对这一结果表示审慎的欢迎。如法国亚原子物理和宇宙学研究所的奥列的林·巴罗(Aurélien Barrau)表示:“我认为这项进展是重要的,它让虫洞旅行变得更加可能。然而尽管这项方案将不要用用到任何形式的物质,但是这项研究听上去仍然让人感到难以置信。”

  星际旅行近在咫尺?

  综合以上各位学者所做的工作,看起来虫洞似乎真的有望成为后爱因斯坦时代天体物理学研究目标清单上的一员。令人兴奋的是,克莱豪斯小组提出的虫洞模型是连接起两个不同宇宙中不同区域的通道。爱因斯坦时代看上去似乎完全不切实际的理论在今天正渐渐接近现实。弦理论的提出让很多研究人员认为我们所在的三维空间实际上是三层漂浮在更高维度海洋中的膜。但在这一切之外,或许还存在着4膜,5膜甚至更高的世界。突然之间,连接起不同宇宙间的虫洞似乎变得有趣起来了。

  这样的虫洞真的会存在于宇宙中吗?很有可能。惠勒指出,量子涨落效应将会让原本呈波浪状起伏的时空网格变成一团剧烈纠缠的复杂形状体,即所谓的“量子泡沫”。根据这幅图景,极微小的,具有不同拓扑结构的虫洞可以在一瞬间出现或消失。

  除此之外还有一种自然的过程可以放大这些虫洞,让它们可以满足时空穿梭的需要。有一种效应我们称之为“暴涨”,这种效应在宇宙诞生极早期曾经发挥极重要作用,新生的宇宙在一瞬间以不可思议的速度剧烈膨胀。克莱豪斯说:“与此同时,其中包含的虫洞结构也将随着这种剧烈的膨胀而急剧变大。”

  研究小组仔细考察了他们提出的这一虫洞膨胀方案。为了通过这样一个虫洞,物体本身各处所受的引力差异不能过大,以便保持物体本身的完整性,这就决定了能通过这种虫洞的物体必须非常微小。克莱豪斯说,好消息是光子和亚原子粒子都能够轻易通过这一通道。而要想让人体这样大型的物体不受伤害地穿过这一通道,虫洞的入口曲率必须非常平缓,而这就意味着这一虫洞的入口直径将达到数十到上百光年。

  如果你觉得这样做几乎是不可能实现的,那么从另一个相反的角度考虑一下吧。根据克莱豪斯的说法,这种虫洞的规模意味着我们有了极好的机会可以在宇宙中找到它们。当使用望远镜扫描天空时,一旦望远镜的视线接触到一个虫洞,我们视野中的景象将会发生突然的变化。正如克莱豪斯所说:“虫洞的入口毕竟是通往另一个宇宙的窗子。”

  但总体而言即便是规模巨大的虫洞,要想锁定其位置也相当困难。当它们隐藏于尘埃,气体和繁星之中,它们看起来将和黑洞非常相似。甚至连人马A,即我们银河系中心位置的超大质量黑洞可能都是一个虫洞。克莱豪斯说,唯一能确认的方法就是研究落入其中的物质的行为特征。

  观测显示当物质高速旋转落向黑洞时,其周遭形成的吸积盘温度将达到极高的水平,甚至引发强烈的X射线辐射。科学家们认为在虫洞入口附近将会发生同样的事情。目前没有任何人能够制造出一台分辨率足以看清黑洞中央位置情形的望远镜,不过天文学家们确实正在努力尝试制造一台可以观测到人马A附近情形的望远镜设备。假如人马A真的是一个黑洞,我们就应当会看到当物质穿过黑洞视界的一刹那,其发出的X射线辐射将会戛然而止并且永不出现。而在另一方面,假如这里其实是一个虫洞的入口,那么我们将仍然能够看到X射线发出,因为虫洞本身并无事件边界存在。

  克莱豪斯和他的同事们同时也希望其它天文学家能够帮助他们,提出其它有可能有助于区分虫洞和黑洞的观测性质差异。有一种说法是认为,当一个虫洞运行至一颗遥远恒星与地球之间的位置时,其质量将导致遥远背景恒星的光线发生弯曲,产生所谓“引力透镜”的效应,这种由虫洞产生的引力透镜效应应当是独特的。

  尽管现在我们拥有的DEGB理论只是提出了一种能够连通不同宇宙之间的虫洞模型,但是很有可能还存在其它类型的虫洞可以连接起我们这个宇宙中的不同部分。克莱豪斯和他的同事们正打算就这一问题展开研究。这样一种虫洞如果真的存在,将有望打开星际地铁旅行系统的新视野。

  但是在你开始攒钱准备买票上车之前,请记住,我们的银河系里或许并没有设立这一宇宙地铁系统的车站。这是因为在我们的星系中有上千亿颗恒星彼此非常紧密地挤在一起。这样的密度当然并不会影响开口直径数十光年虫洞的存在,但是想妥善地设置一个“车站”并不让附近的星系落入其中,其难度将大大增加,因此虫洞的使用者们或许会刻意避开我们的星系。

  但是在星系之间的广袤空间,这样的问题当然就不复存在了。或许就在此时此刻,正有一条巨大的星系地铁系统连接着银河系附近的某一空旷区域和仙女座星系,麦哲伦星系甚至遥远的涡状星系。坐上这样的地铁一定比城市里的地铁要酷的多了。(晨风)

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