物理學家新研究：蟲洞旅行理論存在可能

2020-09-05 孟君369

蟲洞旅行是太空科幻小說中最常見的元素之一，假想中的太空飛船可以通過穿越蟲洞來實現超光速旅行（FTL，faster-than-light），瞬間到達在空間上離自己非常遠的地方。由於廣義相對論認為宇宙中不存在比光速還快的速度，所以蟲洞旅行在廣義相對論下是不存在的。


然而近幾年的物理研究認為，這種蟲洞或許存在於以量子物理為主的微觀層面上。最近的一項研究又給這一觀點添加了新依據。來自普林斯頓高級研究院的理論物理教授 Juan Maldacena 和普林斯頓大學天體物理專業的畢業生 Alexey Milekhin 共同研究，闡述了一種 「被現有物理所允許存在的」、大小足夠人類進入的蟲洞存在的可能。這篇名為《人類可穿越的蟲洞》（Humanly traversable wormholes）的論文發表在預印本網站 arxiv.org 上。


圖 | 黑洞假想圖（來源：Universe Today）

蟲洞的概念最早由德國物理學家 Karl Schwarzschild 提出，是對愛因斯坦廣義相對論裡的場方程的一個解（在物理學中被稱為 Schwarzschild 度量），為黑洞的存在提供了首個理論基礎。


Schwarzschild 度量在理論上預示了 「永恆黑洞」 的存在，也就是時空中的點與點之間存在「直接聯繫」，但 Schwarzschild 所提出的這類蟲洞（也被稱為愛因斯坦 - 羅森橋）坍縮速度極快，並不穩定，以至於任何事物可能都無法成功進入這種蟲洞並穿過它。

另外，這種可穿越的蟲洞需要滿足特殊條件才能出現，比如存在負能量（在宏觀層面的物理學中不被允許存在，但在量子物理中被允許存在），對此，Maldacena 和 Milekhin 表示，量子物理中的 「卡西米爾效應（the Casimir Effect）」 就是一個很好的例子，量子場在沿閉合圓圈路徑傳播的過程中會產生負能量，這種效應所能帶來的影響通常很小，但對帶有較大磁感電荷的黑洞來說效果顯著，而物理學家們也正是因此才想到以 「帶電的無質量費米粒子」 的特性為起點，構建足夠穩定的蟲洞。

具體來說，「帶電的無質量費米粒子」在帶磁感電荷的黑洞附近沿黑洞磁感線的軌跡行進時（與太陽風中的帶電粒子與地球磁場作用產生極光的運動狀態類似），黑洞附近的 「真空能」能被修改並可為負（負能量的概念），並以此能支持穩定蟲洞的存在，且使該蟲洞在有事物借其進行 「穿越」 之前不會坍縮。


雖然這類黑洞對微觀粒子的 「穿越」 而言已經足夠，但若想構建一個能讓人也 「穿越」 的蟲洞，必須另闢蹊徑，在標準模型外的物理學中尋找方法。

Maldacena 和 Milekhin 認為，一種名為 Randall-Sundrum II 的模型（也被稱為是五維扭曲幾何理論）就是構建這類黑洞的解決方法。該模型最早由理論物理學家 Lisa Randall 和 Raman Sundrum 提出，是為了解決粒子的層級問題，在數學上以一種五維時空對宇宙進行了描述，允許物理學家以更低的能級對一些理論進行解釋。但其第五維度僅通過重力與我們所熟知的物質發生聯繫，因此並不能被檢測到。


事實上，該模型其實就相當於是為我們已知的理論添加了許多互相之間存在強相互作用的無質量場，也正是因此，該模型才會涉及負能量的概念。

Maldacena 和 Milekhin 在論文中提出，由該模型所構建的穩定蟲洞的外貌應該與於中等大小的帶電黑洞類似，會產生能擾亂太空飛行器行進軌跡的引力 「潮汐力」，太空飛行器必須配有極強的推力裝置才能成功進入這種蟲洞，但進入蟲洞後，太空飛行器是否能順利「穿越」 仍是一個問題。哈佛大學的物理研究員 Daniel Jafferis 認為，穩定蟲洞雖可能存在，但實際走完該蟲洞所需花費的時間，在蟲洞外來看可能會比 「穿越」 不穩定蟲洞要長的多。

在廣義相對論中，物體的行進速度越接近光速，它所在的自身參考系內的時間流逝也就越慢，比如假設有太空人能成功駕駛太空飛行器借基於 Randall-Sundrum II 模型的蟲洞穿越一段十萬光年的距離，那麼對實施穿越的太空人來說，穿越本身可能只是一瞬的事，而對於地球上的人們來說，他們的穿越可能花費了超過一萬年的時間。


圖 | 太空飛行器借蟲洞進行 「穿越」 的假想圖（來源：NASA）


儘管由於蟲洞的引力，太空飛行器並不需要額外的燃料來完成穿越，但 Maldacena 和 Milekhin 認為，由於進入蟲洞內的任何事物都會被加速，因此廣泛存在於宇宙空間中的宇宙背景輻射也可能會對穿越蟲洞的太空人構成致命危害，甚至拋開危害不談，人類目前的科技水平離能造一艘 「能穿越這種蟲洞」 的太空飛行器還差的很遠。

Maldacena 和 Milekhin 在論文中強調，他們的這項研究僅是為了探尋 「廣義相對論與量子物理學之間的相互作用是否會允許穩定蟲洞的存在」，但就結果而言，雖然我們並不知道這種蟲洞是否真的在宇宙中存在，也還沒有能借這種蟲洞進行長距離太空旅行的技術，但至少在當前看來，科幻小說中「借蟲洞旅行」 的情景在物理學上並非完全不可能。

-End-


參考：

https://www.universetoday.com/147549/one-theory-beyond-the-standard-model-could-allow-wormholes-that-you-could-actually-fly-through/


編輯：武文浩

來源：DeepTech深科技​

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    由於廣義相對論認為宇宙中不存在比光速還快的速度，所以蟲洞旅行在廣義相對論下是不存在的。然而近幾年的物理研究認為，這種蟲洞或許存在於以量子物理為主的微觀層面上。最近的一項研究又給這一觀點添加了新依據。來自普林斯頓高級研究院的理論物理教授 Juan Maldacena 和普林斯頓大學天體物理專業的畢業生 Alexey Milekhin 共同研究，闡述了一種 「被現有物理所允許存在的」、大小足夠人類進入的蟲洞存在的可能。
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