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蟲洞到底是個啥玩意,在裡面的感覺會咋樣?

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本文參加百傢號 #科學瞭不起# 系列征文賽。蟲洞是愛因斯坦廣義相對論預言的一種奇異宇宙現象,蟲洞不是一種天體實體,而是一個理想中的時空洞。廣義相對論是關於引力場的理論,愛因斯坦的引力場方程是裡面最重要的部分,這個引力場方程表述為:愛因斯坦場方程: R_uv-1/2*R*g_uv=κ*T_uv (Rμν-(1/2)gμνR=8GπTμν/(c*c*c*c) -gμν) 說明:這是一個二階張量方程,R_uv為裡契張量表示瞭空間的彎曲狀況。T_uv為能量-動量張量,表示瞭物質分佈和運動狀況。g_uv為度規,κ為系數,可由低速的牛頓理論來確定。"_"後字母為下標,"^"後字母為上標。根據這個方程,人們從中引申出瞭很多解,比如史瓦西真空解,由此得出瞭宇宙存在黑洞的預言,同樣根據這個史瓦西解還得出瞭白洞、蟲洞的預言。根據愛因斯坦引力場方程,還得出瞭時空彎曲、引力透鏡、引力波等預言,這些預言都被後來的觀測發現一一證實瞭。現在黑洞已經證實,“白洞和“蟲洞”的預言尚沒有證實。蟲洞又叫愛因斯坦~羅森橋,是指宇宙中可能存在連接兩個不同時空的隧道,因此也可以稱為時空隧道。這個概念1916年有奧地利物理學傢路德維希·弗萊姆首次提出,1930年由愛因斯坦和美籍以色列裔物理學傢納森·羅森,在研究引力場方程時假設的一種天文現象,認為透過蟲洞可以做瞬時轉移或者時間旅行。現在這個理論還有很多爭議,說法也很多,並被看好是未來解決深空遠距離航行,突破光速瓶頸的一個選項。但有一點必須說明,蟲洞旅行並不是真正的超光速旅行,隻是能夠達到超光速的效果,而實際速度並不一定要達到或者接近光速。因此蟲洞旅行與愛因斯坦狹義相對論的光速限制是不矛盾的。更確切的說,蟲洞旅行是抄近道,走捷徑。本來兩個星系之間相隔很遠,比如銀河系和仙女座星系相隔254萬光年,即便實現瞭光速旅行,在地球人看來,前往仙女座星系的人單程也要用254萬年,這似乎在人類世界是無法接受的。但這時如果在銀河系與仙女座星系之間出現瞭一個蟲洞,人們不需要再走那看來直線實際上是非常彎曲的時空,從這個洞中瞬時就能夠到達仙女座星系,這比光速快瞭多少倍?但飛船本身並非超光速,完全不受光速藩籬限制。就像我們乘火車過隧道,如果沒有這個隧道要彎200公裡才能夠到山那邊,現在有瞭這個隧道,隻需要1分鐘就到瞭山那邊。更厲害的比喻就像一張大紙,一隻螞蟻從紙的A面爬到B面同樣位置,需要爬半天,這時紙張上出現瞭一個小孔,螞蟻從這個小孔一鉆就過去瞭。上面說的山那邊和紙的另一面就是另一個遙遠的時空,火車還是那個火車,螞蟻還是那隻螞蟻,但到達目的地的費時就完全不一樣瞭。這就是蟲洞或者時空隧道或者愛因斯坦羅森橋的妙用。蟲洞形成機制。蟲洞形成機制有多種解釋,但總體上是根據愛因斯坦引力場理論得來的。早在300多勉強,牛頓就發現瞭萬有引力規律,讓人們知道瞭在宇宙中每個角落都充斥著引力,牛頓沒有解釋引力的根源是什麼。愛因斯坦廣義相對論解決瞭這個問題,用無可辯駁的事實證明瞭引力是由質量對時空的擾動產生。這個理論認為,任何具有質量的物體,都會對周邊的時空造成擾動,就像在水中丟下一顆石子,不管石子的大小都會對水產生擾動,隻不過是質量越大的物體產生的擾動越大而已。這種擾動的表現就是物體在自己周邊形成時空扭曲,形成時空漩渦或者陷阱,質量越大的物體時空漩渦或者陷阱就越大,這樣兩個物體的時空漩渦會相互影響,相互掉到對方的陷阱,就表現出相互吸引的現象,而小天體經過大天體附近時,會掉進大天體的時空陷阱中,就表現出小天體被大天體吸引的現象,這就是萬有引力的本質。宇宙中存在著無數大大小小的天體,因此在宇宙中就存在著各種各樣的時空漩渦和陷阱。當一些極大引力場出現時,比如星系、黑洞、類星體等等,會在自己周邊形成巨大的時空漩渦,這些時空漩渦相互碰撞很可能形成一些奇異的空洞,這種空洞就是蟲洞。這有點像激流中形成的一些漩渦,有時候可以直通水底。也有一種說法蟲洞出現在黑洞和白洞之間,認為黑洞極端的時空曲率使奇點處物質被碾碎為基本粒子,然後從另一個時空的白洞輻射噴出,連接黑洞與白洞之間的就是蟲洞。時空通訊不太認同這種觀點,因此不展開來說。黑洞、蟲洞、白洞是三胞胎,但還隻有黑洞產出黑洞、蟲洞、白洞都是愛因斯坦引力場論得出的結論,也可以說都是這個方程的解,被視為愛因斯坦的預言。但迄今為止,隻有黑洞被證實在宇宙中真實存在,並拍攝到瞭第一張黑洞照片。當然,黑洞本身是人眼看不到的,但黑洞的引力場效應使它周邊會發生許多奇異的天象,人們就是根據黑洞理論並觀測這些天象來瞭解黑洞的,拍攝的照片也是黑洞引力場形成的吸積盤和能量射線,總體上還是間接瞭解和“看到”黑洞,不過這些間接都與理論相契合,因此是正確的。蟲洞和白洞目前並沒有觀測到,理論上也還有不少爭議。很多人對蟲洞寄予瞭很大希望,認為蟲洞穿越和曲速航行是將來突破速度瓶頸,在恒星甚至星系之間穿梭的一個最好選項。一些理論認為,蟲洞兩頭時間流速是不同的,兩邊是存在時間差的不同時空,這樣從一端洞口進去時是12點,另一端洞口出來時就還是12點,穿越蟲洞的人感覺並不耗費時間,是瞬時穿越。也有人認為,即便蟲洞真的存在,也很難利用。因為蟲洞很不穩定,隨時出現,也可能隨時消失,且蟲洞都比較小,理論上很難容得下一艘飛船通過。還有理論認為,負能量是撐開蟲洞並且固化維持蟲洞的工具,隻要有足夠的負能量,不但可以利用蟲洞,還可以人工制造蟲洞,就是所謂的時光機。至於蟲洞裡面的情況,也有多種說法。科幻電影中,進入蟲洞的飛船周圍充斥著由星光和輻射形成光怪陸離的視覺幻象,飛船穿越其中就像在享受一場光彩的盛宴。但理論認為,進入蟲洞並沒有那麼舒服。蟲洞裡面的引力場巨大,當接近蟲洞時,引力潮汐力就會對飛船和人體產生拉伸作用,最終在巨大引力張力作用下,飛船和人體全部被拉碎成亞原子粒子,從白洞或者蟲洞的另一端輻射而出,蟲洞穿越過去的隻是一堆粒子。要解決這個問題,就是蟲洞必須足夠大,大到什麼程度呢?根據引力場公式計算,半徑至少要達到1光年。1光年是多少?就是9.46萬億千米,旅行者1號以每秒17km的速度走瞭四十多年,才走瞭222億千米,隻是1光年的426分之一。看起來這個光年級尺度的蟲洞對我們來說是一個很大的洞,但相比到254萬光年距離的仙女座星系,隻是一個小小的通道。如果真有這樣的通道存在,其引力場效應是非常大的,相隔數百萬光年就能夠感覺到這種影響,因為要維持這樣一個蟲洞,所需的負能量將是銀河系所有可見天體質量的100倍。因此理論上,在距我們數百萬光年范圍的星系沒有這種蟲洞存在。當然也有人提出瞭另外的觀點,認為蟲洞沒有黑洞所具有的極端曲率視界,也就是沒有無限引力場范圍,這就意味著物質可以進入蟲洞,也可以從蟲洞中出去。還有人認為有些蟲洞會自我包裹,進入其中的物質或人不會從另一個出口出去,而是返回到自身的入口,但這個過程從外面慣性系看來需要數十億年。這才是洞中方一日,世上已千年,不,是洞中隻一瞬,世上已數十億年矣。總之,有關蟲洞的理論還處於科幻狀態,前程未卜,我們吃瓜群眾還是等待科學傢們取得突破再說吧。在此之前,我們看看科幻就行瞭,不必當真。感謝閱讀,歡迎討論。時空通訊原創版權,侵權抄襲是不道德的行為,敬請理解合作。

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