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恆星這個“小動作” 或能揭示蟲洞的存在

http://finance.sina.com   2019年11月04日 17:38   北京新浪網

  來源:科技日報

  穿越時空,是許多人的夢想。它存在於許多科幻作品中。現實中是否真的有辦法讓人在極短時間內穿越極遠的距離?

  著名科學家兼科普作家卡爾·薩根曾向諾貝爾物理學獎得主基普·索恩提出過這個問題。索恩告訴薩根,最好的辦法是穿越一個蟲洞(wormhole)。

  近日,一項最新研究表明,恆星的一些特殊“小動作”可能會揭示出蟲洞的存在。研究者稱,如果蟲洞兩邊各有兩顆恆星,那麼一側的恆星引力會對另一側的恆星產生影響。因此,我們可以通過尋找恆星細微但特殊的運動來尋找蟲洞。

  這項由中國揚州大學教授戴德昌和美國凱斯西儲大學教授德揚·斯托伊科維奇領導的研究,其結果日前發表於《物理評論D》雜誌。

  科幻故事中的蟲洞真的存在嗎?新的方法如何尋找蟲洞?如果蟲洞真的存在,我們在穿越蟲洞時需要克服哪些困難?

  時空的通道是宇宙捷徑

  1935年,愛因斯坦和物理學家內森·羅森依據廣義相對論預言宇宙中存在一種特殊的“通道”,即“愛因斯坦-羅森橋”或“蟲洞”。蟲洞連接着兩個不同時空中的點,我們可以通過穿越蟲洞的方式減少宇宙旅行的時間和距離。

  也就是說,蟲洞是宇宙中的捷徑。想象一下,在一張平鋪的紙上,一隻螞蟻要從A點走到B點,“旅行”路途即紙面上A點與B點之間的直線距離。如果紙張彎曲,那麼A點和B點之間的空間距離就變得更近,直到兩點重疊。此時,螞蟻再從A點走到B點,“距離”就大爲縮短,進而避免了漫長的星際旅行。

  中國科學院國家天文臺研究員苟利軍說,從地球出發,到織女星,如果僅僅限定在我們這個宇宙維度當中,最短的距離也需要25光年,但在高維空間可能只是幾米。“蟲洞相當於高維空間的一個通道,給我們提供了一個便捷的方式,讓我們能夠進行星際旅行。”基普·索恩此前就寫過一個利用蟲洞進行星際旅行的劇本,後來被導演斯托弗·諾蘭搬上熒幕,打造了著名的好萊塢大片《星際穿越》。

  雖然愛因斯坦的廣義相對論從數學上預測了蟲洞的存在,但迄今爲止還沒有人發現它。美國俄勒岡大學理論物理學教授史蒂芬·許表示:“到目前爲止,關於蟲洞的整個事情還是一種假設,沒有人認爲我們很快就會發現蟲洞。”

  銀心黑洞可能是藏身之所

  在廣義相對論中,蟲洞與黑洞有關。

  在黑洞中,物質坍縮成了一個點,稱爲奇點。物質一旦進入黑洞,就會被永遠困住。蟲洞在外部有着與黑洞同樣的結構,但它的中心並非是奇點。

  雖然黑洞和蟲洞外部結構相同,但蟲洞的另一端可以存在物質,而黑洞則不行。科學家推測,圍繞蟲洞運行的恆星軌道,可能與圍繞黑洞運行的恆星軌道略有不同。具體而言,如果引力場可以通過蟲洞傳播,那麼恆星的軌道將受到影響,並偏離標準的史瓦西軌道。

  研究人員建議在銀河系檢驗這一想法。他們認爲尋找這些時光隧道的最佳地點是超大質量黑洞附近,例如銀心的人馬座A*。因爲蟲洞需要極大的時空扭曲,而時空扭曲又取決於非常強大的引力。

  據報道,有研究人員一直在觀測人馬座A*附近的一顆名爲S0-2的恆星。如果蟲洞確實存在於人馬座A*附近,S0-2就會受到蟲洞另一邊的恆星引力的影響,那麼隨着時間的推移,S0-2會輕微偏離預期的軌道。

  戴德昌和德揚·斯托伊科維奇領導的研究團隊發現,蟲洞入口與普通黑洞存在區別,而且這些差異可以通過遠距離觀測發現,不需要飛臨或鑽入黑洞。

  兩位研究者從考察蟲洞口附近時空區域守恆律出發,分別計算了電荷、引力和標量場。檢查這三者是否可以穿過蟲洞,並影響蟲洞另外一側的時空。計算結果顯示,標量場的影響無法穿過蟲洞,但電荷和引力的影響都可以透過蟲洞,在另外一側時空中留下痕跡。

  德揚·斯托伊科維奇說:“如果我們檢測到S0-2軌道上的擾動,最有可能的解釋是其附近存在蟲洞。但我們不能肯定地說這一定是蟲洞造成的。因爲其他因素也有可能擾亂這顆恆星的運動。”

  脆弱的蟲洞難當大任

  想要穿越蟲洞並非輕而易舉,一方面,蟲洞存在與否這一問題本身沒有得到解決,我們不知道蟲洞是否存在,又在何處。另一方面,即便找到了蟲洞,在穿越蟲洞時還要面臨許多未知的挑戰。

  最大的問題就是蟲洞的穩定性難以保證。有人說,蟲洞對於星際旅行或許毫無用處,因爲它們會很快崩潰。史蒂芬·許說,穩定蟲洞需要某種非常特殊的物質,但目前尚不清楚這種物質是否存在於宇宙中。

  根據基普·索恩的設想,具有“負能量密度”的奇異物可以作爲保持蟲洞持續開放的物質條件,由此蟲洞將被改造成違背因果律的時間機器,用於星際航行。但美國國家航空航天局的埃裏克·克里斯蒂安博士說:“目前沒有任何方法來產生這些巨大的負能量。我們對如何創建或維持蟲洞無能爲力。”

  除此之外,穿越者還要面臨高輻射以及異物接觸的風險。

  “使用可穿越的蟲洞進入未來或回到過去,這並非易事,因爲將蟲洞轉變成時間機器需要付出很大的努力,要擺脫蟲洞也異常艱難。”天體物理學家埃裏克·戴維斯說。

  苟利軍表示,我們通常認爲的蟲洞很有可能自然存在於黑洞中心,而我們又到不了這個中心。即使黑洞的中心可能產生所謂的蟲洞,還有一個非常大的問題,就是蟲洞的時標只有10-43秒,尺度大約只有10-35米,“如何讓蟲洞達到非常大的尺度,讓飛船能夠進入,還要支撐足夠長的時間,讓飛船有足夠多的時間穿過,這都是需要解決的問題。”

  德揚·斯托伊科維奇說:“即使蟲洞可穿越,人與飛船也很可能無法通過。我們需要負能量來保持蟲洞的持續開放,但目前的我們什麼也做不了。總之,要創建一個穩定的、巨大的蟲洞,需要一些未知的‘魔術’。”

  廣義相對論似乎確實允許時空經過某些路徑,給出了時空旅行的可能,但是這些路徑超出了人類已有的測試能力。至少目前來看,還沒有已知的時空旅行方式,蟲洞也只能是我們翹首以盼的未來。

  製造一個蟲洞

  神祕的蟲洞藏着許多謎題,然而就連蟲洞是否真實存在,我們都沒有任何證據去證明。不過日前國外媒體刊文指出,我們也許有辦法打造一個近乎穩定的蟲洞。

  從理論上來看,創造蟲洞的方法相當簡單:根據愛因斯坦的廣義相對論,質量和能量可以使時空發生扭曲。只要能準確把握質量和能量的值,就可以在宇宙的不同部分之間形成一條隧道、一個蟲洞。科學家列舉了製造這個蟲洞所需要的“工具”:一個帶電荷的黑洞和宇宙弦。攜帶電荷的黑洞會使其奇點拉長和扭曲,因而與另一個帶相反電荷的黑洞相連——我們就得到了一個蟲洞。只是,這個蟲洞仍不穩定,所以我們需要一根張力極大的宇宙弦來穿過蟲洞兩端,保持蟲洞兩端的持續開放;同時還需要另一根宇宙弦穿過蟲洞,然後往回繞形成環形,來撫平這個蟲洞的震顫。如此,一個穩定的蟲洞“製造”成功。只是這個方法只存在於理論中,製造蟲洞所需要的“工具”,也同蟲洞一樣神祕,我們從沒有發現過。

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