從黑洞到NUT宇宙,愛因斯坦方程為何會有數量眾多的「病態」解?

2020-12-05 天文同好樂園

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。

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  • 愛因斯坦的「黑洞方程」的證明
    這個猜想預測,愛因斯坦場方程的解將在「擾動下穩定」。這個意思簡單來說就是,如果你微微晃動黑洞,周圍時空將首先動搖,而最終它會穩定到一個與你開始晃動時十分接近的狀態。Klainerman解釋道:「大致上,穩定性意味著:我對方程取特殊解,然後稍微擾動它們,即稍微改變一點數據,最終達成的動態結果總是將非常接近原始狀態。」
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    宇宙中有各種各樣的天體,但是最神秘可怕的卻是非黑洞莫屬了。黑洞是一個引力極強的特殊天體,在它的中心是一個密度無限大,時空曲率無限高,體積無限小的奇點。人們發現,現有的客觀物理定律在奇點處全部都會失效。在奇點周圍還會存在一個事件視界範圍,任何物體包括光在內在進入視界區域後都無法逃離黑洞,因此在這片區域是不可觀測的區域,因為沒有任何光能夠射出讓我們看到,因此就被形象地稱為「黑洞」。黑洞最早並不是人們直接觀測到的,它是愛因斯坦預言的一種天體。
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    首先,黑洞的存在其實很早以前就有科學家提出過假設。而牛頓和愛因斯坦都曾有機會發現黑洞,但是卻最終遺憾錯過。1687年出版的《自然哲學的數學原理》一書提出了萬有引力定律,任何物體之間都有相互吸引力,這個力的大小與各個物體的質量成正比例,而與它們之間的距離的平方成反比。
  • 黑洞突破!愛因斯坦的「不可解」理論是如何「簡單」被破解的?
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    1915年,愛因斯坦發表了一系列廣義相對論的演講,聲稱空間和時間是一個連續體,可被任何有質量的東西扭曲,扭曲的結果就是引力,即引力是空間和時間扭曲的結果,並迫使一切物體,從光到行星,甚至從樹上掉下來的蘋果,沿著彎曲的路徑穿過空間。
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    ER=EPR,一個讓愛因斯坦再次驕傲的方程,揭示了一個怎樣的宇宙?ER=EPR這個被譽為讓愛因斯坦再次感到驕傲的方程究竟描述了什麼?要知道,量子糾纏在大尺度上很容易因為退相干而消失,如果我們將黑洞視為量子系統而非經典物體,就有可能會出現,兩個高度糾纏的黑洞組成的系統,當人們對這種糾纏態進行仔細研究後,就會發現這種糾纏態對應的時空,可以看作一個不可穿越的蟲洞連接了兩個黑洞,這就是ER = EPR的真正含義,嚴格來說,ER = EPR不是一個數學或者物理方程式,它更像一個標語,強調著量子糾纏和時空之間存在著深刻的內在聯繫
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  • 愛因斯坦的引力場方程的擴展——揭秘引力場中物質的波屬性
    公式(1)被稱為場方程,表示它可以進一步分解成多個方程。分解公式(1)的方法之一是通過泰勒級數展開。求解愛因斯坦的場方程需要大量的計算。事實上,愛因斯坦自己也不相信他的場方程能得到精確的解。愛因斯坦場方程誤差的主要來源是前面提到的方法,即泰勒級數展開法,誤差的大小取決於展開項的數量。因此,方程解的精確程度跟計算能力有關。
  • 愛因斯坦引力方程中的宇宙常數與暗能量的區別是什麼?
    ——愛因斯坦1915年末在愛因斯坦首次提出廣義相對論的時候,這個理論對宇宙時空的革命性構想就遭到了眾多同行的強烈懷疑。而在往後的科學發展中相對論是被人們檢驗和審查最嚴格的理論之一。廣義相對論改變了我們的宇宙圖景
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  • @愛因斯坦,我們看到黑洞了!(有圖有真相)
    1915年,愛因斯坦提出廣義相對論,給出了後世皆知的愛因斯坦場方程。1916年,德國天文學家卡爾·史瓦西通過計算得到了愛因斯坦引力場方程的一個真空解,表明如果將大量物質集中於空間一點,其周圍會產生奇異的現象,即在質點周圍存在一個界面——事件視界面,一旦進入界面,即使光也無法逃脫。美國物理學家約翰·惠勒將之形象地稱為「黑洞」。自史瓦西得到黑洞的第一個解之後,許多物理學家也開始投身到對這種「不可思議的天體」的研究中。
  • 平行宇宙、愛因斯坦羅森橋
    愛因斯坦認為黑洞太離奇了,不可能在自然界存在。而有人認為在黑洞的中心有蟲洞存在的可能性就更讓他反感。數學家將這些蟲洞稱為「多連通空間」。物理學家稱它們為「蟲洞」,因為它像鑽到地裡的一條蟲,在兩點之間鑽出一條可供選擇的捷徑,有時也將它們叫做「空間入口或通道」。
  • 可觀測宇宙之外是什麼樣的?與黑洞是否有聯繫?
    因此,為了表述宇宙的這種靜態的狀態,愛因斯坦在引力場方程中,刻意地增加了一個宇宙常數,以此來「抵消」萬有引力對宇宙天體相互吸引的趨勢,以此來達到平衡的目的。然而,隨著哈勃在觀測到了宇宙天體紅移現象之後,這種靜態的宇宙觀逐漸被打破。
  • 科學:黑洞裡面是什麼?是另一個世界嗎?科學家愛因斯坦得到解?
    黑洞裡有什麼?對大多數人來說,這個問題似乎比黑洞看起來更有趣。事實上,科學家比我們更關注這個問題。早在1930年,愛因斯坦和他的同事羅森就在求解引力方程時得到了一個解。這個解決方案後來被稱為「愛因斯坦-羅森橋」,通過它我們可以連接到宇宙的另一邊。
  • 愛因斯坦的方程式是錯誤的?量子物理學從新定義黑洞的存在
    圍繞著這個奇點的是一個無法偵測到的事物視界,又稱黑洞視界,它產生的引力場極為強勁,以至於任何物質和輻射在進入到黑洞的視界(臨界點)內,便再無力逃脫。也就是說黑洞外的物質和輻射可以通過視界進入黑洞內部,而黑洞內的任何物質和輻射均不能穿出視界。黑洞如此匪夷所思的原因是它使兩個關於宇宙的基本理論相互矛盾。
  • 黑洞已經讓光都無法逃離了,為何宇宙「奇點」可以發生大爆炸?
    黑洞中的「奇點」與宇宙起源的那個「奇點」有相似之處,也有不同之處。黑洞吞噬周圍的物質,將物質全部壓縮在奇點上,造成了那個點體積很小,密度很大,但並非是「無限」,應是有限,宇宙起源的那個奇點,並非是一個點,它是一個既存在但又無法用物理定律描述的一個時空曲率無限大的「點」,這個點包含著純能量,擾動打破了平衡,於是引發了大爆炸。
  • 廣義相對論場方程誕生史:一場愛因斯坦與希爾伯特的究極競賽
    愛因斯坦的晚年合作者、 波蘭物理學家英菲爾德在《愛因斯坦: 他的工作及對我們世界的影響》 一書中曾經記述過一段有趣的對話:……我曾對愛因斯坦說: 「無論您是否提出, 我相信狹義相對論的問世都不會有什麼延誤, 因為時機已經成熟了。」 愛因斯坦回答說: 「是的, 這沒錯, 但廣義相對論的情形不是這樣, 我懷疑直到現在也未必會有人提出。」
  • 宇宙中的黑洞,進入黑洞後是平行宇宙?
    它們會對我們這可愛的「時空床墊」怎麼樣?會把它砸穿嗎?其實,這個問題科學家比我們關注的更早。早在1930年,愛因斯坦和他的同事羅森在求解引力方程的時候得到了一個解,這個解後來被稱為「愛因斯坦-羅森橋」,通過這個橋可以聯繫到宇宙的另一邊,如下圖。愛因斯坦本人並不是很重視這個解,他認為這太過於異想天開了。
  • 愛因斯坦為何拒絕黑洞,而物理學家為什麼喜歡研究黑洞?
    從1783年的猜測,到1916年至1960年的爭論,物理學家實際都在討論黑洞是否存在這個問題。在激烈的討論中,黑洞逐漸建立起了其宇宙咖位,即便在這幾百年間遭遇了太多的誤解,但依舊保持風度地走進了當今物理學家的視野,並越發深入人心。