對於20世紀的物理學家和宇宙學家們來說,愛因斯坦的廣義相對論就像是一匹「特洛伊木馬」。表面上這個理論很宏偉,只要幾個簡單的假定就能推導出宇宙的一般特點,包括星光的彎曲、黑洞以及大爆炸本身,而所有這些都已進行實驗測量,精度令人吃驚。如果不是愛因斯坦早期錯誤地將宇宙常數拿掉了,就連宇宙膨脹問題也能得到很好的解釋。
但為何說它像「特洛伊木馬」呢?這是因為,通過對廣義相對論不間斷地深入研究和剖析,人們發現在它的內部潛藏著各種「妖魔鬼怪」,包括黑洞、白洞、蟲洞、各種不同意義的時間機器,甚至不同類型的宇宙,這些都是由愛因斯坦方程得出的不同的解。在愛因斯坦有生之年,他本人認為這些奇異之物絕不可能在大自然中找到,所以他奮戰了很多年,試圖排除這些「病態」的解,但沒有成功。而如今,隨著黑洞被證實,其他奇異的、病態的解又重新得到了人們的關注。下面小編簡單梳理一下幾個愛因斯坦方程的「病態」的解。
首先是蟲洞。愛因斯坦曾認為黑洞太離奇了,不可能在大自然中存在,而蟲洞被認為存在於黑洞的中心,這更令愛因斯坦反感。第一個普及蟲洞理論的人是牛津的數學家查爾斯·道爾森,數學家將蟲洞稱為「多連通空間」。愛因斯坦後來轉變了觀念,1935年,他和他的學生羅森將蟲洞理論引進了物理世界,所以蟲洞也被稱為「愛因斯坦-羅森橋」。今天,宇宙學家們推測愛因斯坦-羅森橋可以充當兩個宇宙之間的橋梁,人們可以通過它在不同的宇宙中旅行。
其次是範斯託庫姆的時間機器。1937年,W·J·范斯託庫姆發現了愛因斯坦方程的一個奇異的解,這個解存在時間倒流的可能性,從而允許時間旅行。他構想了一個無限的旋轉的圓柱體(實際當然不可能,但數學計算中是允許的),如果這個圓柱體以接近光速旋轉,它就會帶動時空結構一起轉動,就像攪拌機的葉片帶動糖蜜旋轉一樣。這種現象叫做「坐標系拖曳」,實際已經在黑洞的照片中得到證實。任何圍繞圓柱體運動的人都會經歷時間倒退,圓柱體轉得越快,時間上就倒退得越多,從而可以回到過去。
第三是高德爾的宇宙。1949年,偉大的數學邏輯學家高德爾發現了愛因斯坦方程的一個更奇怪的解:整個宇宙是旋轉的。在這樣旋轉的宇宙中,你將被旋轉的時空所帶動,乘坐飛船圍繞高德爾宇宙旅行,你將回到起點,但時間卻向回倒退了。原則上你可以在時空的任意兩點之間旅行,你能看到在任何時期發生的每一個事件。
第四是克爾黑洞。1963年,紐西蘭數學家克爾發現了愛因斯坦方程的一個精確的解:一個旋轉的黑洞。史瓦西的黑洞解是靜態的,而克爾的黑洞是旋轉的。克爾黑洞有一個令人吃驚的特點,如果一個人掉進了克爾黑洞,他絕不會被擠扁壓碎,相反,他會被吸到黑洞中心,然後通過愛因斯坦-羅森橋到達另一個半徑和質量都為負的平行宇宙。
第五是NUT宇宙。同在1963年,三位科學家紐曼、昂蒂和坦布雷諾合作發現了愛因斯坦方程的一個新解,這個解更為瘋狂,它看起來像一個典型的黑洞,但允許封閉類時曲線和時間旅行。當你在黑洞周圍座360度旋轉時,不會轉到你最初的位置,相反,你猶如居住在一個有著「黎曼切口」的宇宙,你會通過切口被捲入到另一個宇宙中。這個宇宙可以比作螺旋形的樓梯,任何常識在這裡會完全失去作用,它有著奇異的、病態的鮮明色彩,以至於很快被用發現者的首字母命名,稱為NUT宇宙。
第六是索恩的時間機器。1988年,物理學家索恩又發現了一個震驚世界的愛因斯坦方程的新解,這個解同樣可以進行時間旅行,但卻沒有其他時間旅行方案中那麼多的問題,需要解決的是負物質和負能量的問題,只要能夠製造出負能量,就能創造出一個人工蟲洞進行舒適地時間旅行。而早在1933年,卡西米爾就已經發現,兩塊不帶電的金屬板能夠產生負能量,1996年在美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室,負能量得到了實驗精確驗證。由此,索恩的時間機器的可行性得到了更多關注。
上面列舉的這些看似瘋狂的愛因斯坦的解,在現在的物理學家們眼中是最深奧的宇宙奧秘,他們不再像愛因斯坦當初那樣千方百計想去除這些貌似病態的解,而是將它們看做是廣義相對論的一個完整部分,現在條件受限無法證實,但也許將來當宇宙走向終結時,它們有可能是智慧生命得到解救的一個新途徑。