黑洞蟲洞，幹一架就知道誰是個好洞

2020-08-15 牧夫天文

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翻譯：DAIKIN

校對：LF

排版：葫蘆

後臺：庫特莉亞芙卡 李子琦

原文連結：https://www.space.com/black-holes-fall-into-wormholes-gravitational-waves.html

如果真有蟲洞，這東西應該可以一口吞下黑洞，都不帶嚼的。

如果蟲洞真的存在，我們也許有一天能親眼看著它「吞」掉黑洞。

（圖源：牧夫天文）

一項最新研究表明，天文學家也許能夠利用引力波產生的時空漣漪探測到掉進蟲洞裡的黑洞。當然，前提是蟲洞真的存在，而且真有個黑洞掉了進去。

愛因斯坦在1916年首次預言了引力波的存在，根據廣義相對論，引力來自於質量扭曲時空的方式。當兩個或兩個以上的物體在一個引力場中運動時，它們會產生以光速傳播的引力波，並一路電光石火，不斷拉伸和壓縮著時空。

但引力波相當微弱，探測極其不易。甚至愛因斯坦當年也不確定它們是否真的存在，或者是否能被發現。經過幾十年的不懈努力，科學家們終於在2016年利用雷射幹涉引力波天文臺（LIGO）探測到首個引力波，向人們宣示了引力波存在的直接證據。

黑洞與蟲洞

截至目前，引力波觀測站已經探測到了超過20次黑洞和中子星等高密度天體之間的的巨大碰撞。當然，其他理論上可能存在的天體，比如蟲洞之間的碰撞也應該可以產生可探測的引力信號。

超大質量黑洞的概念圖。在超大質量黑洞背景下，我們或許可以找到蟲洞。

（圖源：NASA/JPL-Caltech）

蟲洞就像是時空隧道，理論上可以實現時空旅行，甚至宇宙穿越都成為可能。是不是真有蟲洞這東西我們還不知道，但愛因斯坦的廣義相對論允許蟲洞存在的可能性。

蟲洞理論：圖中的「摺疊」時空模型展示了一種蟲洞的「構造」設想，一根「喉管」連著它的兩張「嘴」。

(圖源 © edobric | Shutterstock)

原則上所有的蟲洞都是不穩定的，在打開的瞬間就關閉了。唯一能使它們保持開放和可穿越的是一種有著所謂「負質量」的奇異物質。這種奇異物質有著不可思議的性質，能夠從標準引力場逃逸，而不是像正常物質一樣向它墜落。當然這種奇異物質是否真的存在也是個未知。

其實蟲洞在很多地方和黑洞類似。他們都極其緻密，對即使同等大小的物體都有著強大的引力。但他們還是有明顯的區別：理論上沒有任何物體能夠在進入黑洞的事件視界（逃離黑洞引力所需臨界速度超過光速）後返回；但任何進入蟲洞的物體理論上都可以逆轉航向。

在假設蟲洞存在的基礎上，最近一篇還未經過同行評審的論文對黑洞繞蟲洞運行時產生的引力信號進行了研究：當黑洞從蟲洞一端的大嘴進入，再從另一端的嘴裡出來後進入了時空中的另一個位置，然後（假設黑洞和蟲洞相互引力束縛）又原路返回，從之前的蟲洞進口出來後會發生什麼？

危險邊緣的瘋狂試探

藝術家筆下的天鵝座X-1黑洞，圖中展示兩個黑洞之間的「橋梁」可以形成一個穩定的蟲洞。

圖源：NASA/CXC/M.WEISS

在計算機模型中，研究人員分析了質量為太陽5倍的黑洞，與質量為太陽200倍的穩定且可穿越的蟲洞（「喉嚨」是黑洞寬度的60倍）之間的相互作用。這些模型表明，當黑洞進出蟲洞時，會出現前所未見的引力波信號。

當兩個黑洞相互靠近時，它們相互環繞的速度就會增加，就像旋轉的花樣滑冰選手互相拉著胳膊越靠越近，而引力波的頻率也會上升。此時這些引力波會產生像鳥叫的聲音，或者快速升調吹哨子一樣的聲音，因為任何的頻率增加都會導致音調的上升。

當一個黑洞盤旋進入蟲洞時，我們會聽到像兩個黑洞相遇時的「鳥叫」，但是黑洞發出的引力信號會很快消失，因為它將大部分引力波都輻射到了蟲洞的另一端（相比之下，當兩個黑洞相撞時，其結果則是引力波的巨大爆發）。

如果我們能現場目睹一個黑洞從蟲洞裡冒出來的全過程，我們則會聽到反向打碟一樣的倒放「鳥叫」聲，尤其當黑洞離蟲洞越來越遠時，黑洞的引力波頻率會更低。

當黑洞在蟲洞的不同出口不斷試探、進進出出時，就會上演一出完整的DJ打碟之宇宙無敵夜。每次正反打碟之間的時間長度會隨著時間的推移而縮短，然後直到卡碟，哦，抱歉，是直到黑洞卡在蟲洞的喉嚨裡。而這種宇宙體量的夜店蹦迪也就非常容易被我們探測到啦！

論文的合著者，納什維爾範德比爾特大學的物理學家威廉·加貝拉（William Gabella）表示，「雖然蟲洞極有可能只存在於理論中，但非常酷的是，我們其實有能力證明或至少能增加它存在的可信度」。

理論而言，「可穿越」蟲洞或許可以挽回掉入黑洞萬劫不復的信息

圖源：Tomáš Müller for Quanta Magazine

如果黑洞真卡在了蟲洞裡，結束了蹦迪，它可能就決定在蟲洞的喉嚨裡養生了。這樣的結局想像是基於對蟲洞喉嚨裡奇異物質的推測性質。一種可能是黑洞顯著地增加了蟲洞的質量，但蟲洞沒有足夠的奇異物質來保持穩定。加貝拉表示，也許由此產生的時空分裂導致黑洞以大量引力波的形式將其質量轉化為能量。

只要蟲洞的質量比它吞下的任何黑洞都大，它就應該能保持穩定。加貝拉說道，如果一個蟲洞遇到一個比它大的黑洞，那這個黑洞就有可能破壞蟲洞的奇異物質，使蟲洞變得不穩定，導致最終坍塌，並有可能形成一個新的黑洞。

如果黑洞從沒去過蟲洞家的「夜店」，只是伸了只腳在「夜店」的門口瘋狂試探，那它是會鼓起勇氣全身而入，還是被踢出去，目前仍不清楚。加貝拉猜測在這種情況下，黑洞視界可能會有些瘋狂的行為，從而產生更多的引力波，並導致更多的能量損失，除此之外也可能破壞蟲洞的奇異物質，使它變得不穩定。

加貝拉還表示，未來的研究可以深入探索蟲洞的奇異物質與任何進入蟲洞的正常物質之間的相互作用，也可以研究一些更複雜的情況，比如蟲洞處於旋轉情況下會發生什麼，或是引力波如何在這些情況下與正常物質、奇異物質發生相互作用，以及蟲洞之間可能出現的軌道。

本發現刊登於7月17日網上發布的一份研究報告，科學家計劃將研究結果提交給《物理評論快報》雜誌。研究詳情請訪問arXiv.org.

責任編輯：王延昕

牧夫新媒體編輯部

『天文溼刻』 牧夫出品

一個異常複雜的行星狀星雲圖像

Image Credit: NASA, ESA, Hubble, HL A;

Reprocessing& Copyright: Jesús M. Vargas

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    黑洞不過，吃瓜群眾雖多，大家真的都知道什麼是黑洞嗎？如果我接著說白洞、蟲洞和奇點呢?是不是有點傻傻分不清楚!愛因斯坦認為蟲洞是連接黑洞和白洞的時空隧道，透過蟲洞可以做瞬時的空間轉移或時間旅行。但其實愛因斯坦本人並不認為蟲洞是客觀存在的，因此蟲洞也經常被當做是一種數學技倆。不過即使蟲洞真的存在，想要靠它進行時空穿梭恐怕是難以實現的。因為蟲洞幾乎與黑洞同時出現，如果你真的要試著去穿越蟲洞，估計會被x射線和伽瑪射線烤焦。
  • 什麼是愛因斯坦的蟲洞,蟲洞與黑洞如何區別?
    雖然蟲洞可以縮短旅途的距離，但並不是超越了光速。例如，你通過蟲洞從地球抵達織女星，很顯然比穿過蟲洞外的時空抵達的光線還要快，但是你在穿越蟲洞時相對蟲洞的速度是不能超過光速的。另外，蟲洞並不總是縮短時空的距離，有時洞內的路程會大於洞外的路程。如下圖。
  • 黑洞、蟲洞、白洞,三個宇宙中神秘的存在,但最奇怪的是白洞
    最常見到的字眼是黑洞，那麼在這裡就放在最後簡單說說，在前頭不妨細細說說蟲洞以及白洞是怎麼一回事吧！「蟲洞」——可以理解為時空洞，也可稱之為愛因斯坦—羅森橋，這個概念最早是由路德維希弗萊姆在1916年提出，愛因斯坦以及納森羅森在1935年將蟲洞的概念加以完善。
  • 如果黑洞落入蟲洞會發生什麼？
    沒有人知道這種奇異物質是否真的存在。蟲洞在很多方面類似於黑洞。這兩種類型的物體密度都非常高，對同等大小的物體都有強大的引力。主要的區別是，理論上沒有任何物體在進入黑洞的視界(逃離黑洞的引力所需的速度超過光速的閾值)後無法返回，而進入蟲洞的任何物體理論上都可以逆轉進程。
  • 如果黑洞掉進蟲洞會發生什麼？
    沒有人知道這種奇異物質是否真的存在。在許多方面，蟲洞類似於黑洞。這兩種類型的物體都非常密集，對它們大小的物體都有強大的引力。主要區別在於，理論上沒有任何物體能夠在進入黑洞的視界（逃離黑洞引力所需的速度超過光速的臨界值）後返回，而任何進入蟲洞的物體理論上都可以逆轉航向。
  • 天體物理學家表示，蟲洞存在於星系中心的超大質量黑洞
    1957年，相對論專家惠勒給這個理論取了一個形象的名字：蟲洞，其依據是蟲子在蘋果兩端挖了個洞，從而在蘋果表面產生了捷徑。並且，我們不知道蟲洞的其它性質，也沒有發現它存在的間接證據。因此，蟲洞目前只是在理論上成立，在現實宇宙中，沒有人能肯定它的存在。不過，科學的發展還是令人驚訝的，一組科學家表示，星系中心的超大質量黑洞存在蟲洞，而且是可穿越的蟲洞。
  • 如果蟲洞真實存在 那麼完全可以吞下黑洞
    最新研究推測稱，如果蟲洞真實存在，那麼完全可以吞下黑洞。天文學家認為他們可能利用被稱為引力波的時空漣漪探測到黑洞落入蟲洞，但前提是蟲洞確實存在，並且蟲洞吞下黑洞的事件可能發生過。經過科學家幾十年的研究，2016年，科學家報導稱，使用雷射幹涉引力波天文臺（LIGO）探測到首個引力波存在的直接證據。