蟲洞不能讓你回到過去,但可用來躲避星際戰爭
2019年04月20日08:19
圖片來源:pixabay
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  來源:環球科學

  如果外星人之間發生星際戰爭,而地球人打不過外星人,那麼地球人應該怎麼辦?最新的蟲洞研究也許可以給我們一定的啟示:人類可以躲在蟲洞里,等戰爭結束了再出來。

  以前說到蟲洞,大都與星際旅行這個話題有關。因為宇宙太大,而人類的飛行器速度太慢,我們的壽命也很短,所以要跨越遙遠的星際空間幾乎是不可能完成的任務。比如距離太陽最近的恒星位於半人馬座,與我們大約相隔4光年,就算以光速的百分之一飛行,也要需要400年時間才能抵達這裏;而太陽距離銀河系中心則是26 000光年,所以在當前的技術水平下,前往銀河系中心幾乎是一個遙不可及的夢想。最近人類拍攝到的第一張黑洞照片,則位於距離太陽系5500萬光年的遙遠星空,人類的肉身怎麼可以穿越這遙遠的星辰大海?

  於是,大家總是說,想要穿越遙遠的星際空間,只能依靠蟲洞。但是,最新的蟲洞研究告訴我們,通過蟲洞實現星際旅行可能並不是最佳選擇。

  可穿越蟲洞:關鍵是負質量

  要理解最新的蟲洞研究,需要先看看蟲洞研究的歷史。

  1935年,愛因斯坦與羅森在研究廣義相對論的時候發現了“愛因斯坦與羅森橋”,這是一種不可穿越的蟲洞——所謂“不可穿越”,就是不能在有限的時間內通過這個蟲洞,所以這種蟲洞在現實中並沒有實際意義。

  這種尷尬的局面一直持續了整整50年才有所改變。1985年,美國康奈爾大學的天文學家與科學作家卡爾·薩根(Carl Edward Sagan)寫了一本科幻小說《接觸》(Contact)。這部小說描述了人類通過蟲洞穿越到了距地球 26 光年的織女星附近,然後與外星文明接觸,最後順利返回地球。

  這部小說可以看成是人類第一次提出了“可穿越蟲洞”的概念——所謂“可穿越蟲洞”,意思就是說人類可以在有限的時間內穿越蟲洞並返回。

  在寫這部小說的過程中,卡爾·薩根一開始也對這個領域也沒有太多研究,他錯誤地把蟲洞寫成了黑洞。但他請教了他的一位老朋友——加州理工學院的物理學家基普·索恩(Kip Thorne)教授,後者建議他把黑洞換成蟲洞來作為星際旅行的工具。

  在和卡爾·薩根交流時,索恩知道黑洞不能用於星際旅行,於是他想到了他的導師約翰·惠勒(John Wheeler)在十幾年前提出的“蟲洞”概念。

  但惠勒的蟲洞概念也僅僅是一個概念,沒有任何物理計算細節。所以索恩與他的學生邁克·莫里斯(Mike Morris)一起,開始用正統的廣義相對論知識對蟲洞物理學展開研究,並在兩年後發佈了研究論文。這篇論文發表在《美國物理雜誌》(American Journal of Physics)上,標題是“時空中的蟲洞及它們在星際旅行中的應用:講授廣義相對論的工具”(Wormhole in spacetime and their use for interstellar travel: A tool for teaching general relativity)。

  這張圖片來自索恩的蟲洞論文,直線表示蟲洞的一個入口在時空中的軌跡(世界線),曲線是蟲洞的出口在時空中的軌跡。世界線上的阿拉伯數字表示出口與入口當地的時間。

  蟲洞是連接出口與入口的一個隧道,在索恩的蟲洞模型中,蟲洞很短,穿越這個蟲洞所需要的時間可以近似為零。在這種情況下,當一個人從蟲洞的入口進入,再從蟲洞的出口出來,隨後他在沿著蟲洞返回入口,他有可能穿越到自己的過去,這將引起祖父悖論。

  索恩與他的學生在論文中提出的觀點大致是這樣的:愛因斯坦的引力場方程的左邊是空間曲率,而右邊是能量動量張量。對愛因斯坦引力方程的分析表明,要想產生可穿越的蟲洞,引起這種時空彎曲的物質所對應的能量動量張量必須違反平均類光能量條件。也就是說,想要製造出一個人類可以往返穿越的蟲洞,必須消耗巨大的負質量物質來撐住這個隧道——否則這個隧道很容易“塌方”。根據愛因斯坦的狹義相對論,質量與能量是等價的,所以負質量意味著負能量——但宇宙中根本就不存在大規模的負能量,所以要想打開可穿越的蟲洞似乎是不可能的。

  根據廣義相對論,違反平均類光能量條件是所有可穿越蟲洞的先決條件。換句話說,如果要想穿越蟲洞,相當於要求經過蟲洞的類光測地線(也就是以光速運動的粒子)不能在蟲洞里彙聚,而這需要用到印度的一位著名物理學家瑞查德符里(Amal Kumar Raychaudhuri)提出的方程。通過瑞查德符里的方程可以看出,在蟲洞中,光線只有在物質場的能量動量張量違反平均類光能量條件下才不會撞上奇點——在這種情況下,聚焦在蟲洞一端的光線在離開蟲洞的另一端時會散開,這樣才可以順利從蟲洞中逃出來。

  但是,這個世界上不存在違反平均類光能量條件的物質。因此,在這個意義上,蟲洞就算能因為量子效應瞬間產生,也往往會自毀。正因為蟲洞天生就喜歡自我崩塌,所以到了後來,索恩也感覺到蟲洞很難實現,甚至不可能存在,於是他說“蟲洞需要有高級文明有意識的去創造和維持。”隨後,索恩就去研究引力波了。

  新蟲洞研究:不可穿越的蟲洞等價於量子糾纏

  最近幾十年來,索恩把興趣點從蟲洞研究轉移到了引力波探測,並且在2017年因為人類首次探測到引力波獲得了諾貝爾物理學獎。

  但蟲洞的研究並沒有停止。而且,蟲洞研究的基本思想在近10年已經發生了很大的改變。

  蟲洞研究的新思想來源可以概括為一個物理公式,那就是由普林斯頓高等研究院的胡安·馬爾達西那(Juan Maldacena)和斯坦福大學的倫納德·薩斯坎德(Leonard Susskind)在2013年提出的“ER = EPR”。這個公式第一次把蟲洞與量子糾纏聯繫在了一起。

  ER 的全稱為 Einstein-Rosen(愛因斯坦-羅森)橋,這在本文一開始我們已經提到過。這是愛因斯坦和納森·羅森(Nathan Rosen)在研究廣義相對論方程時提出的一種不可穿越的蟲洞。

  而 EPR 則是 Einstein-Podolsky-Rosen(愛因斯坦-波多爾斯基-羅森)這三位科學家的姓名的首字母縮寫。波多爾斯基(Boris Podolsky)是一名俄籍美國物理學家。EPR 在物理中描述的是一對相互糾纏的粒子。

  本來,ER與這 EPR兩個概念風馬牛不相及,因為愛因斯坦-羅森橋是描述大尺度宏觀現象的廣義相對論的產物,而 EPR 對則是對微觀世界的量子糾纏行為的描述,而且量子糾纏在大尺度上很容易因為退相干而消失。

  但到了2013年,曾因提出ADS/CFT對偶理論而名聲大噪的馬爾達西那與薩斯坎德拋出了重磅炸彈“ER = EPR”。如果把黑洞視為量子系統而不是經典物體,那麼就可能出現由兩個高度糾纏的黑洞組成的系統。對這種糾纏態進行仔細研究,就會發現這種糾纏態對應的時空可以看成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。

繪圖:Malcolm Godwin
繪圖:Malcolm Godwin

  值得注意的是,ER與EPR 這兩篇論文的作者里,都有愛因斯坦和羅森,而且都是在1935年發表的,前後相差2個月。更加令人驚訝的是,80年後,馬爾達西那與薩斯坎德發現,這兩篇文章本質上說的是同一件事情。他們推測,任何一對糾纏量子系統都是由愛因斯坦-羅森橋(不可穿越蟲洞)連接的。

  在ER=EPR的基礎上,哈佛大學的丹尼爾·賈弗里斯(Daniel Jafferis)與高蘋,以及來自斯坦福大學的阿倫·沃爾(Aron Wall)開始了新蟲洞研究。高蘋是一位年輕的中國科學家,他從清華大學物理系畢業後,就去了哈佛大學物理系攻讀博士學位。

  賈弗里斯、高蘋以及沃爾提出的蟲洞方案與索恩的不同,前者的新蟲洞不適合長距離的星際旅行,因為他們所刻畫的蟲洞連接的是兩個距離很近的黑洞。而且,“穿過這些蟲洞比直接旅行更慢”。他們對長距離的星際旅行持悲觀態度。

  新蟲洞是怎麼產生的?

  但有一點是可以肯定的,那就想要打開可穿越的蟲洞,必須有大量的負質量。問題的關鍵在於,負質量物質從什麼地方來。

  負質量在經典物理學的意義上是不可能出現的,但是,量子力學卻可以產生負質量。最著名的例子是卡西米爾效應——比如兩塊平行金屬板之間的電磁真空狀態,理論與實驗結果都表明,金屬板之間的真空態具有負能量,這被稱為卡西米爾能量。這種負能量可以被視為負質量。因此,卡西米爾效應說明,量子力學可以實現負質量,並有助於創造一個可穿越的蟲洞。正如前文描述的那樣,可穿越蟲洞的技術細節是要得到一個違反平均類光能量條件的能量動量張量,換句話說,可穿越蟲洞的維持要求具有負的平均類光能量的物質場(因為根據愛因斯坦的廣義相對論,物質場引起時空的彎曲)。

  三年前,賈弗里斯、高蘋與沃爾研究了兩個永恒的BTZ黑洞邊界的相互作用之後,他們發現了在這裏可以產生一個具有負平均類光能量的量子物質能量動量張量,這個情況等價於出現了負質量,所以其反引力作用可以使愛因斯坦-羅森橋勉強可穿越(BTZ黑洞是一種反德西特時空中的二維黑洞,但他們的結論對三維空間中的黑洞同樣成立)。這時,蟲洞就是可穿越的,如果一個人跳進一個黑洞,他可以從另一個黑洞逃脫。

  高蘋在接受採訪時說,“量子糾纏等價於不可穿越的蟲洞,但加上負質量物質後,這個蟲洞就變得可穿越了。所以兩個黑洞實際上在視界之後是連接起來的。如果一個人跳進第一個黑洞的時候速度足夠快,那麼它實際上很接近第二個黑洞的視界,雖然這個人還在黑洞裡面。然後,我們用量子的相互作用產生負能量的物質,當這個負能量的物質進入黑洞的時候,在黑洞里的人一旦碰到負能量物質,他就可以被推出來。”

  高蘋強調,雖然這兩個黑洞在空間上的距離很近,但實際上連接它們的蟲洞非常長。

  新蟲洞不會“超光速”,但可以躲避星際戰爭

  在傳統的蟲洞研究中,一個核心的問題在於,如果一個人穿越蟲洞的時間太短,而在空間上移動很大的距離。比如在1秒鍾內從地球穿越到了銀河系中心,那麼這在外部世界看來就是超光速的運動。這種穿越行為一定會違反相對論的因果性,最後產生悖論。

  1988年,索恩證明了如果蟲洞很短,那麼人就通過蟲洞回到過去。這是一個非常有趣的結果,但這會引發悖論。因為如果通過蟲洞的時間很短,那麼根據簡單的狹義相對論就可以證明利用蟲洞就可以做出時間機器回到過去,但這個時候會產生因果性的問題,比如一個人可以回到過去殺了祖父,這樣就會產生“祖父悖論”。

  “祖父悖論”說的是,假如一個叫小王的人可以回到過去,那麼他就可以殺死自己的爺爺,當時他爺爺還只是一個兒童,沒有結婚生子,所以小王的父親就不會出生,因此小王沒有父親,小王也不能出生,那他又是怎麼回到過去殺死自己的爺爺的呢?因此這是一個悖論。這個悖論說明,回到過去是不可能的。

  因此,從祖父悖論這種邏輯推理可以看出,可穿越的蟲洞就算存在,也一定要避免產生祖父悖論這樣的因果性疑難。

  賈弗里斯、高蘋和阿倫·沃爾的理論是通過一些量子效應,使得不可穿越的蟲洞變得可以穿越,但他們的新蟲洞並沒有破壞因果性,因為在他們的模型中,蟲洞非常長,在蟲洞里旅行需要花費很長的時間——因為在蟲洞中穿行的時間比在蟲洞外更長,所以這不會引起祖父悖論。

  高蘋在接受採訪時表示,“兩個黑洞可以由蟲洞連接,這兩個黑洞之間的距離很近,同時它們之間存在很強的量子糾纏。我們的研究表明,連接這兩個黑洞的蟲洞非常長,人類在這個蟲洞中旅行需要花費很長的時間,所以在蟲洞中躲避星際戰爭是可能的。”

  因此,新蟲洞並不是做星際旅行的最佳選擇,相反,新蟲洞可以被看成是一個世外桃源,是一個可以長時間呆在裡面躲避外部星際戰爭的桃花島。

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