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虫洞谜团——穿越时空、打开另一个全球的大门

稳定而可穿行的虫洞

一个可穿行的虫洞应该满足下面几个条件:

1)虫洞是稳定的,或者至少可以存在很长时问,而不能像史瓦西虫洞那样,还没等物质传过去,它就关闭了

2)虫洞内部不含有事件视界,这样物质才可以自由地双向穿行

3)穿过虫洞得在有限时间内完成。

另外,如果人要驾驶星空飞船穿过虫洞,虫洞内部潮汐力的加速度得足够小,至少得小于人体所能承受的加速度(大约相当于重力加速度的10倍)。1988年,索恩和他的学生麦克·莫里斯详细地探讨了这种虫洞。根据爱因斯坦的引力方程,他们发现这种虫洞如果存在的话,其内部必须存在平均能量密度为负数的物质(下面把它称为“奇异物质”)。

这种奇异物质并不是十分的古怪,事实上我们在实验室中就可以产生它。例如,真空中彼此平行的两片金属板之间将会存在一种吸引力。因为真空并不是真的空,而是充满了能量的涨落。能量的涨落会产生虚粒子,不过金属板之间只能装下特定波长的虚粒子,这样就会导致金属板之间的真空能量比其他正常空间里的能量低。真空是平均能量为零的空间,这样金属板的空间就是平均能量为负的空间了。金属板之间的物质就可以认为是具有负能量的奇异物质。如果这样的奇异物质贯穿到虫洞之中,虫洞就有足够的时间保持开放状态让物质通过。

在高维全球打开虫洞

虽然我们可以利用金属板之间产生一些奇异物质,但那是十分稀少的。而要撑开虫洞,则需要很多奇异物质。撑开一个半径为1厘米的虫洞,需要相当于一个地球质量的奇异物质撑开一个半径为1千米的虫洞,需要相当于一个恒星质量的奇异物质撑开一个半径为1光年的虫洞,需要大约银河系发光物质总质量100倍的奇异物质。另外,如果能让一艘载人星空飞船穿过的话,虫洞内部的潮汐力引起的加速度不能太大。经过计算发现,人类能承受的虫洞,其半径至少要大于1光年。

我们完全不知道怎么产生那么多的奇异物质。看来,利用奇异物质来打开虫洞并进行星际旅行,难度很大。

不过换一个角度来想,可穿行的虫洞真的必须要有奇异物质吗?

在2002年,一些物理学家发现,高斯一波涅引力理论下的虫洞可以不需要奇异物质就可以保持打开状态,甚至它可以不需要任何物质就可以保持打开。高斯一波涅引力理论本来是一种把高维空间加人到广义相对论中的理论,它把我们的全球描述为一个四维时空的岛,或者一种“膜”,漂浮在更高维的时空中。而虫洞则可以把不同的“膜”全球连接起来,而且它不需要任何物质就可以稳定地存在。

如果这种微小的虫洞诞生在星空早期的话,那么它很有可能会因星空的暴胀(星空诞生之后所经历的一种剧烈的膨胀)而变得足够大,直到天文学尺度。

从虫洞里回到过去

虫洞不仅可以快速到达星空另一个区域,或者是另一个星空,而且它还可以用来作为时间机器回到过去。例如,一个洞口如果相对另一个洞口高速运动时,虫洞就会变成时间机器。根据相对论引起的效应,两个洞口的时间将会不一样,这样你就可以穿过虫洞回到过去。下面来举个例子说明。

一个人在地球上创造了一个虫洞,他把一个洞口放在他家里,另一个洞口放在一个星空飞船上。他可以带着这个洞口坐着飞船去星空溜达一圈回到地球。根据相对论我们知道,跑得越快,时间流逝得越慢,所以对于他来说这个过程可能只过了12个小时,但是地球上却已经过了10年。那时他的家可能不复存在了。但他如果从飞船的虫洞望过去,会发现洞口另一端仍是那个他刚离开时的地球。所以他完全可以爬进虫洞,回到10年前的地球,也就是说他可以利用虫洞回到过去!(不过我们也注意到,他是无法回到虫洞创造以前的时刻,所以他不可能回到第二次世界大战前干掉幼年的希特勒。)

所以说虫洞在某些情况下是可以成为时间机器的,它可以创造出一个可返回到过去的时问圈。时间圈的正式名称叫做封闭类时曲线,而虫洞则是能产生封闭类时曲线的一种。

时间旅行的悖论

接下来面对的问题是,星空允许时间机器存在吗?一个很显然的问题是,任何物体穿过可回到过去的虫洞后,会不可避免地破坏因果关系并产生悖论。例如著名的“祖父悖论”:有人穿过虫洞回到过去杀掉自己的祖父,从而阻止了自己之后的出生,这样自己就从来没有出生子因此也就无法回到过去杀掉自己的祖父。

不过祖父悖论还存在着一个问题,那就是人是否真的具有自由意志:当作一个人,我有没有决定自己命运的能力?当我回到过去时,真的有能力杀掉自己的祖父?当我准备举刀刺向祖父时,会不会有一种无形的力量阻止我这么做呢?

自由意志问题,本来比时间机器更加令人困惑。所以为了避免这样的问题,我们可以去研究由非生命物体所产生的悖论,然后尝试来解决这个悖论。

消除悖论的假想实验

例如考虑一个台球从某个地点进人虫洞的一个入口,回到过去并从另一个洞口飞出,然后正好撞到原本的自己,使得原本的台球改变了方向,从而使它无法进人虫洞然后回来打到自己。

这种情况与祖父悖论类似,都是回到过去改变了古代,并产生逻辑不通的问题。如何解决这种问题呢?本来很简单,如果我们能找到一种逻辑自洽(即根据逻辑推理可证明自身存在的合理性,并且不会产生矛盾和错误)的结果,并满足一切的物理定律,就可以消除这种悖论。注意到台球是经典的物体,它有着确定的位置和速度,所以台球只需要满足经典物理学定律。

索恩和他的学生在1988年详细探讨了这种台球问题。经过一番努力,他们发现在初始条件不变的情况下,确实存在满足经典物理学定律的并且逻辑自洽的结果。具体地说,这个台球还是按照原本的路线飞向虫洞的一个洞口,不过会在途中被另一个台球轻微地撞到(我们之后会看到它是这个台球未来的自己),然后路线将会出现轻微的偏离,它进人虫洞回到过去并从另一个洞口飞出,因为它的路线已经出现轻微的偏离,所以它并不会像上面的例子那样猛烈地撞到原本的自己,而是轻微地撞到。这种过程就是完全逻辑自洽的,悖论消除了。

需要注意的是,这里轻微地碰撞具体有两种情况,一个是碰撞原本的台球一边,另一个是碰撞原本的台球另一边。也就是说存在两种逻辑自洽的轨道。

这是一个令人震惊的结果。因为在没有时间机器的星空中,初始条件不变的情况下,根据经典物理理论,台球运动的轨道有且只有一种轨道。而时间机器的出现打破了这种经典物理学中的确定性。另外,在某些其他的初始条件下,时问机器还可以使得台球具有无限多个不同的轨道,而不只是两种。

那么这意味着什么?如果你了解量子力学的话,那么这就不足为奇了。量子力学与经典物理学大为不同,在相同的初始条件下,它会得出要所要发生事情的概率,而不是确定的事情。如果用量子力学的眼光来看前面的台球实验,那么台球开始飞向虫洞时,它将有一定的概率选择其中的一条轨道,有一定的概率选择另一条轨道。(如果你做一次台球实验,只能得到其中的一个结果。多次做实验就会发现,一些球会选择其中的一条轨道,一些球会选择另一条轨道。)

看样子悖论好像可以消除,那么星空中真的会允许虫洞变成时间机器吗?

我们知道描述引力的广义相对论与量子力学是不兼容的,不过可以使用一些半经典的办法来研究引力

这是一个令人震惊的结果。因为在没有时间机器的星空中,初始条件不变的情况下,根据经典物理理的一些量子效应。索恩等一些物理学家发现,如果把量子效应考虑进去的话,就会发现,在虫洞在形成时间机器的瞬间,总会有一束真空涨落反复地穿过它,最后真空涨落变得异常强烈,从而破坏掉虫洞,来阻止时间机器的形成。斯蒂芬·霍金把这种阻止时间机器形成的机制称为“时序保护猜想”。时序保护猜想会阻止任何形式的时问机器(包括虫洞)的形成。

多全球中的虫洞

那么虫洞真的不能变成时间机器吗?别急,还有一种办法可以挽救。1991年英国物理学家大卫·多伊奇提出,可以利用多全球诊释的观点,来拯救时间机器。其中,多全球诊释是一种有别于传统的诊释量子力学的理论。

传统的量子诠释认为在测量之前,一个微观粒子可以同时处在各种状态,这种状态称为叠加态,物理学家可以用称之为波函数的工具来描述。你一旦进行测量,叠加态就会被破坏,粒子就会变为唯一的一种状态。而多全球诊释认为,一个粒子在任什么时候候都处在叠加态之中,粒子的每一状态都处在多个子全球中的一个。在测量前,这些子全球彼此能影响对方,所以我们能观测到它处在叠加态。一旦进行测量,每个子全球就会变得彼此不相干了,无法感知对方,所以你只能看到一个结果,但粒子仍然处在叠加态之中。

多全球诠释不仅适用于微观粒子,事实上任何事物都是如此。比如你选择去买哪种水果来吃,你就会产生许多个彼此不相干的子全球。你在这个子全球中选择了苹果,你在那个子全球中选择了香蕉。你只能感知其中的一个子全球,无法感知其他的子全球。

除了那些微观粒子的子全球可以彼此感知,其余的子全球是不通的。你从来就没有看到过另一个子全球中的你。那么我们真的就不能进人另一个子全球了?

多伊奇指出,虫洞成为时间机器之后,连接的并不是同一个全球,而是不同的子全球。这样你穿越虫洞回到的是另一个子全球,那里可能与我们的全球大为不同,可能小行星并未撞击地球,三角龙仍是全球主宰,或者可能德国纳粹首先研制出原子弹等等。多伊奇发现,穿越虫洞回到另一个子全球的好处是,不仅祖父悖论不会出现,而且那个真空涨落也不会在虫洞里变得异常之大。可以说,虫洞也许可以打开通往另一个全球的大门。

但是,虫洞在今天仍是一个理论名词,要找到一个或者制造一个虫洞去通向另一个全球,人类还有很长的路要走。

虫洞谜团——穿越时空、打开另一个全球的大门

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