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消息!通过虫洞时间旅行靠谱吗?
2022-10-12 05:29:33 来源: 科普中国

作者:周哲


【资料图】

时间旅行可行吗?在理论上确实可行,就是通过虫洞,不过真想实现还是挺困难的,各位听我慢慢道来。

时间旅行这件事儿很早就有人幻想了,在科学中最早出现的依据就是爱因斯坦的相对论。很早的时候人们就发现时间似乎只有一个方向,就像热力学第二定律的熵一样,只增不减,象征着时间一去不复返,可是相对论告诉我们,每个人的时间都是独立的标尺,运动的速度特别快,接近光速了,或者在强引力场下,那在别人眼中看到的时间就会变慢,我们自己是感觉不出来的,所以才会有双生子佯谬。

比如说哥哥去太空飞行了,回来之后哥哥可能比弟弟还年轻,这件事儿是真的,已经经过科学实验原子钟验证过了,可以实现。于是人们最早是有了这样一个假设,就是假如一个人可以光速飞行,那他的时间就应该是静止的,如果再快点,超光速了,那时间就会倒流,他看到的世界就是向相反的方向发展的,人都倒着走,越活越年轻。但是这件事儿相对论告诉我们不允许,有质量的物体是不能被加速到光速的,这件事儿也是经过实验验证的,就是粒子对撞机,人们可以把粒子的速度加速到光速的99.999%,但是无论再增加多少能量,都不能超过光速。所以对于人来说那就更不可能了,这条路行不通。但额外说一句,其实相对论不是不允许超光速出现,而是不允许有质量的物体被加速到光速。如果有粒子天生就是超光速的,那它也不允许降到光速以下,相对论限制的是这个事儿,虽然具体有没有这种粒子还不知道,但是名都起好了,物理学家索末菲把它叫做快子。光速以下的粒子我们生活当中的粒子都可以叫做慢子。

后来人们又发现,根据广义相对论,我们周围的引力越大,时空弯曲的越厉害,那么时间也会走的越慢,如果引力无限大,那时间就会静止,有没有这个地方呢?有,就是黑洞。最早就是德国物理学家史瓦西根据广义相对论给出的一个解,广义相对论的场方程就是一个二阶非线性偏微分方程组,它很开放,给出不同的条件得到的解是不一样的,一般就是人们通过不同的边界条件,得出一个解,然后再去赋予它物理意义。史瓦西黑洞就是这样一种解,它的物理意义就是中心存在一个奇点,引力密度无限大。奇点被一个叫做事件视界的曲面包裹着,事件视界的半径叫做史瓦西半径。事件视界面上的光子对无穷远处的黑洞外部观测者来说是看不到的,相当于被无限红移了,这个视界面又称作无限红移面。然后史瓦西半径处叫做事件视界,这个面叫做无限红移面。就是说只要站在无限红移面上,别人看你的时间也会静止,这点人们也是很明确的。但是事件视界内部具体是什么结构,包括奇点是什么结构,这人们就不是很清楚了。到现在物理学中也有很多种说法,不过我们庆幸的是黑洞已经被人们捕捉到了,而且我们现在已经有了两张黑洞照片了。人们目前就只知道黑洞不停的吃东西,具体这些东西吃哪去了不知道,当时也没有更好的解释 。

1930年爱因斯坦和他的助手罗森又给出一个解,他们通过广义相对论场方程给出一个模型。如果时空强烈弯曲,比如说我们可以把四维时空弯曲一下,让这两个点靠近,如果这两个时空点处再存在一个时空隧道,那人就可以通过这个隧道瞬间转移,甚至回到过去。于是这二位就发表了一篇论文,人们就把连接这两个不同时空的隧道叫做爱因斯坦-罗森桥,像是一个桥一样。但爱因斯坦罗森桥并不是中间的这个管子,而是图中的管壁,因为这个平面就是我们的四维时空,我们要想通过隧道只能走管壁,中间就是更高维的时空了。这东西好啊!最早这种概念只在科幻小说中出现啊,这下好了,爱因斯坦带着头说可以穿越,大批量的科幻家作可算是有素材了,后来又是惠勒给起了个名,叫作虫洞,wormhole蠕虫洞。但其实爱因斯坦在论文里就明确指出了,爱因斯坦罗森桥只是理论模型,不可以实现。为啥呢?因为按照这个模型,人要想通过虫洞必须要超光速,这件事儿爱因斯坦是接受不了的,相对论也不允许,所以还是行不通。但这个时候在科幻作品中早都行得通了,人们高兴的不得了。

再后来到了1964年苏联的一位物理学家叫做诺维科夫,他又根据史瓦西解给出了一个和史瓦西解相反的解,史瓦西黑洞只进不出,诺维科夫的解只出不进,也就是白洞。这个解再次给了物理学家灵感,美国有一位宇宙学家叫做卡尔萨根,他同时还是一位科幻作家。有一天他突发奇想,黑洞只进不出,白洞只出不进,那黑洞的另一侧会不会就是白洞呢?于是一个完整的模型就出现了,黑洞吃东西,通过虫洞传输,从白洞吐出来。在理论上就相当于是把三个模型联系在一起了。不过在现实中我们就只发现了疑似黑洞,虫洞和白洞到目前还都没有发现。

但人们有很多猜测,比如说有人认为宇宙大爆炸就是一次白洞喷发,还有人认为说2006年发现的伽马射线暴就是白洞引起的,但都没有经过证实。卡尔·萨根自己有点不敢确定这个模型行不行得通,于是他就去问当时专门研究广义相对论的一位好朋友,就是吉普·索恩,索恩听说之后表示这个想法很不错!正好他最近正研究虫洞,应该存在不用超光速就可以穿越的虫洞。于是在1980年左右,萨根就写了一篇科幻小说叫做《接触》,1985年出版,1997年还拍成了同名电影,你看《接触》里人就是通过虫洞时空旅行的。后来2004年索恩自己指导了一部电影《星际穿越》,在里面时空旅行是通过黑洞卡冈图雅。

索恩对虫洞有很深刻的研究,他发现实际上有两种虫洞在理论上可以穿越,一种是欧几里得虫洞一种是洛伦兹虫洞。这两种虫洞大家在科幻作品中应该都感受过,欧几里得虫洞又叫做瞬时虫洞,就是假如存在一个欧几里得虫洞,人一进去,就会瞬间在另外一个时空点出现。这个过程是感受不到时间流逝的,或者说经历的是虚时间,就是瞬间转移。而洛伦兹虫洞是能感受到从进入到传输的这个过程的,也就是要花费真实的时间。但是欧几里得虫洞并不是很稳定,只能短时间存在。而洛伦兹虫洞在特定条件下是可以长时间存在的,虫洞可以打通两个时空点,进去就可以时空旅行,空间和时间可任意选,甚至回到过去,在理论上都允许。

既然时空旅行可以通过虫洞来完成,那么如何制造虫洞呢?理论上在宇宙大爆炸初期会留下一些原初虫洞,就像原初黑洞一样,但是目前还没发现。要想人工制造虫洞我们需要大量的负能量。不是情绪低落的负能量,而是负能物质。负物质也不是反物质,反物质是具有正质量的,负能物质具有负质量。这是我们生活中想象不出来的。如果存在负质量物体,我们推它一把,它的作用力就是相反的,它会向相反的方向跑。虽然负质量物质有没有还不知道,但是负能量的确是存在的,在物理学中有一个卡西米尔效应,说的是真空中两块相近的平行金属板之间会存在莫名其妙的压力,这个压力的来源就是负能量。具体如何制造大量的负能物质人们也不是很清楚,而且想要维持一个虫洞需要超级多的负能物质。根据物理学家推算,一个半径1cm的虫洞需要地球质量这么多负能物质!如果想要人能通过的虫洞还不能正好是人的大小,虫洞会具有相当大的负压力,表现出来就是张力,瞬间把人甚至是原子都撕碎。如果想要原子不被撕碎至少需要虫洞的半径在1光年开外。那可想而知需要多少负能物质,整个银河系都不够。

综上所述,时间旅行虽然在理论上可行,但是目前还无法实现。但人类的目标一直都是星辰大海,没准哪天就实现了呢!如果可以时间旅行,你最想去何时何地呢?

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