如何才能探測到蟲洞?恒星怪異擺動暴露蟲洞位置
2019年10月28日11:24
蟲洞示意圖
蟲洞示意圖

  10月28日消息,據國外媒體報導,一項新研究指出,恒星怪異的擺動行為可能會暴露蟲洞的位置,如果這些傳說中時空隧道真實存在的話。

  蟲洞是科幻小說中長盛不衰的主題。多年來,在許多故事、書籍和電影中,主人公都以蟲洞作為宇宙中的捷徑,穿梭於相隔遙遠的星球之間。根據愛因斯坦的廣義相對論,蟲洞的存在是有可能的,但從來沒有人證實過。

  這項新研究提供了一種對蟲洞進行試探性偵測的可能方法,那就是尋找微小但奇怪的恒星運動。“如果有兩顆恒星分別位於蟲洞的兩側,那在我們這一側的恒星應該能感受到另一側恒星的引力影響,“研究作者之一、紐約州立大學布法羅分校的宇宙學家和物理學教授德揚·斯托伊科維奇(Dejan Stojkovic)在一份聲明中說,“引力流會穿過蟲洞。”

  蟲洞需要時空的極度扭曲,這反過來又依賴於非常強大的引力。因此,想要尋找蟲洞,最好的去處很可能在星系核心的超大質量黑洞附近。比如銀河系中心的人馬座A*(Sagittarius A*),這個超大質量黑洞擁有相當於400萬個太陽的質量。

  斯托伊科維奇說:“如果你繪製出人馬座A *周圍某顆恒星的預期軌道,當那裡存在蟲洞,且蟲洞另一側又有一顆恒星時,你應該就會看到恒星出現偏離軌道的情況。”

  他還指出,目前的觀測技術還不夠靈敏,無法進行這樣的探測。但在未來的10年或20年里,隨著儀器設備的進步,以及對合適的目標恒星(如環繞人馬座A*的S2)進行長期監測,我們或許就能實現這一目標。

  當然,我們還不能太過激動。即使未來天文學家能進行這樣的探測,也不一定就能得到確定的結果。“當我們達到觀測所需的精度時,如果檢測到了S2恒星軌道的擾動,那我們可能會說,蟲洞是可能性最高的解釋,”斯托伊科維奇說,“但是,我們還不能說這絕對是一個蟲洞。可能有其他的解釋,或許蟲洞這一側有其他東西干擾了這顆恒星的運動。”

  斯托伊科維奇還表示,對於太空探索而言,前景並沒有我們想像的那麼樂觀:蟲洞旅行很可能在很長一段時間內只是一個科幻夢想。“即使蟲洞可以穿越,人類和宇宙飛船也很可能無法通過,”他說,“實際上,你需要一個負能量來源來保持蟲洞的打開狀態。我們不知道該怎麼做。要創造一個巨大的穩定蟲洞,你可能需要一些魔法。”

  這項新研究的第一作者是中國揚州大學的戴德昌教授,他和斯托伊科維奇的這篇論文發表在本月早些時候的《物理評論D》(Physical Review D)雜誌上。

  什麼是蟲洞理論?

蟲洞可能具有兩個開口,由一個通道連接。開口很可能是球狀的,而通道可能是一條直線,但也可能彎彎繞繞,比常規路徑更長
蟲洞可能具有兩個開口,由一個通道連接。開口很可能是球狀的,而通道可能是一條直線,但也可能彎彎繞繞,比常規路徑更長

  蟲洞理論假設,存在一個理論上的時空通道,可以為穿越宇宙的長途旅行創造捷徑。蟲洞由愛因斯坦的廣義相對論預言,又稱愛因斯坦-羅森橋。不過需要小心的是,在穿越蟲洞時也可能遭遇突然崩塌、高劑量輻射和有害外來物質的危險。

  蟲洞理論最早於1916年提出,但當時還不叫這個名稱。奧地利物理學家路德維希·弗萊姆(Ludwig Flamm)回顧了另一位物理學家對愛因斯坦廣義相對論中方程組的解,意識到還有另一種可能。他描述了一種“白洞”——理論上與黑洞的時間反轉。黑洞和白洞的入口都可以通過時空通道連接。

  1935年,愛因斯坦和物理學家納森·羅森(Nathan Rosen)利用廣義相對論詳細闡述了這一觀點,提出時空中存在某種“橋樑”。這些橋樑連接著時空中兩個不同的點,理論上創造了一條可以縮短旅行時間和距離的捷徑。這些捷徑後來被稱為“愛因斯坦-羅森橋”或“蟲洞”。

  “在這一點上,整個理論都只是假設,”美國俄勒岡大學的理論物理學教授Stephen Hsu說,“我們不可能很快就找到蟲洞。”蟲洞可能具有兩個開口,由一個通道連接。開口很可能是球狀的,而通道可能是一條直線,但也可能彎彎繞繞,比常規路徑更長。

  愛因斯坦的廣義相對論從數學上預測了蟲洞的存在,但迄今為止還沒有發現蟲洞。有科學家認為,我們或許可以通過觀察經過蟲洞的光線所受到的引力影響,來發現一個負質量的蟲洞。在廣義相對論的某些解中,蟲洞不僅可以存在,而且每個蟲洞的開口都是一個黑洞。然而,自然形成的黑洞由垂死的恒星坍縮而成,其本身並不產生蟲洞。

  穿越蟲洞

  科幻小說中充滿了穿越蟲洞的故事。但是,蟲洞旅行的實際情況可能要複雜得多,這不僅僅是因為我們還沒有發現蟲洞。

  第一個問題是蟲洞的規模。據預測,原始蟲洞可以在微小的尺度上存在,大約10到33釐米。然而,隨著宇宙的膨脹,有一些蟲洞可能被拉伸到更大的尺寸。另一個問題是穩定性。預測中的愛因斯坦-羅森蟲洞會很快坍塌,因此對星際旅行毫無用處。

  “我們需要一些非常特別的物質來穩定蟲洞,”Stephen Hsu說,“但現在還不清楚宇宙中是否存在這樣的物質。”

  不過,近年的研究發現,含有“外來”物質的蟲洞可能保持開啟和不變的時間更長。這裏所說的“外來”物質不應與暗物質或反物質相混淆,它們具有負能量密度和大的負壓。這種物質只在某些真空態的行為中被視為量子場論的一部分。

  如果一個蟲洞包含了足夠的外來物質(無論是自然產生的還是人工添加的),理論上都可以作為發送信息或太空旅行的方式。不幸的是,人類在這種時空隧道中的旅行很可能面臨巨大的挑戰。“現在還沒有定論,所以我們並不知道,”研究相對論、黑洞和蟲洞的著名物理學家基普·索恩(Kip Thorne)說,“但有很強的跡象表明,可以讓人類通過的蟲洞在物理定律上是不可能的。這很悲劇,很不幸,但這就是事情的發展方向。”

  蟲洞不僅可能連接宇宙中兩個獨立的區域,還可能連接兩個不同的宇宙。一些科學家猜想,如果蟲洞的一個開口以特定的方式移動,那或許能讓時間旅行成為可能。

  “你可以通過可穿越的蟲洞進入未來或過去,”天體物理學家埃里克·戴維斯(Eric Davis)說,“但這並不容易,把蟲洞變成時間機器需要付出巨大的努力。要弄出一個蟲洞本來就夠難的。”

  然而,已故的英國宇宙學家斯蒂芬·霍金認為,這種利用蟲洞的方式是不可能的。美國宇航局的埃里克·克里斯蒂安則寫道:“蟲洞並不是回到過去的一種方式,而是一條近路,使那些遙遠的東西變得離我們更近。”

  儘管在蟲洞中加入外來物質可能會使其變得穩定,直到人類可以安全通過的程度,但也有另一種可能是,加入“常規”物質會破壞入口的穩定。即使能找到蟲洞,今天的技術也不足以使其擴大或穩定。當然,科學家將繼續探索這一概念,希望終有一天能利用其作為太空旅行的一種方式。“你需要一些超級先進的技術,”Stephen Hsu說,“在很長一段時間內,人類都無法做到這些。”(任天)

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