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超出标准模型的一种理论可能会允许您实际上穿过的虫洞

  • 科学
  • 2020-08-28 08:15:57
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蠕虫洞是科幻小说中的一个流行特征,航天器可以通过这种方式实现光速(FTL)移动并立即从时空的一个点移动到另一个点。尽管相对论一般学说禁止存在“可穿越的虫洞”,但最近的研究表明,它们实际上在量子物理学的领域内是可能的。

唯一的缺点是它们实际上要比正常空间花费更长的时间和/或可能是微观的。在由常春藤盟军的一对科学家进行的一项新研究中,标准模型之外的物理学的存在可能意味着那里存在虫洞,这些虫洞不仅足够大,可以穿越,而且对于希望从该地点获取东西的旅行者来说是完全安全的A指向B。

这项名为“人类可穿越的虫洞”的研究是由高级研究学院的卡尔·芬伯格理论物理学教授胡安·马尔达塞纳和普林斯顿大学天体物理学专业的毕业生阿列克谢·米利欣进行的。两人就过去的虫洞问题以及如何将它们作为安全穿越太空的手段进行了广泛的写作。

关于虫洞的理论是在20世纪初响应爱因斯坦的相对论一般理论而出现的。最早假设它们存在的是德国物理学家和天文学家Karl Schwarzschild,他对爱因斯坦的场方程(Schwarzschild度量)的求解导致了黑洞存在的第一个理论基础。

Schwarzschild度量标准的一个结果就是他所说的“永恒黑洞”,它本质上是时空中不同点之间的联系。但是,这些Schwarzschild虫洞(又称爱因斯坦-罗森桥)是不稳定的,因为它们塌陷得太快,以至于任何东西都无法从一端穿过。

正如Maldacena和Milekhin通过电子邮件向《今日宇宙》解释的那样,可穿越的虫洞需要特殊的环境才能存在。这包括负能量的存在,这在经典物理学中是不允许的,但在量子物理学领域是可能的。他们声称,卡西米尔效应就是一个很好的例子,其中量子场在沿闭合圆传播的同时产生负能量。

“但是,这种影响通常很小,因为它是量子的。在我们以前的论文中,我们意识到,这种影响对于带大磁性电荷的黑洞会变得相当大。新的想法是使用带电的无质量费米子(像电子,但质量为零)。对于带电的黑洞,它们沿着磁场线传播(类似于太阳风的带电粒子在地球极地附近产生极光的方式)。”

这些粒子可以进入一个点并在周围平坦的空间中开始出现,从而绕行一圈。这意味着“真空能量”被修改并且可以为负。这种负能量的存在可以支持一个稳定的虫洞的存在,虫洞是时空中各个点之间的桥梁,在某些事物有机会穿越它之前不会崩溃。

基于作为粒子物理学标准模型一部分的物质,此类虫洞是可能的。唯一的问题是,这些虫洞的尺寸必须是微观的,并且只能存在很小的距离。对于人类旅行而言,虫洞必须很大,这需要超出标准模型的物理条件。

对于Maldacena和Milekhin而言,这就是Randall-Sundrum II模型(又称五维扭曲几何理论)发挥作用的地方。该模型以理论物理学家Lisa Randall和Raman Sundrum的名字命名,以五个维度描述了宇宙,最初是为解决粒子物理学中的层次结构问题而提出的。

“ Randall-Sundrom II模型是基于这样的认识,即五维时空也可以用比我们通常探索的能量更低的能量来描述物理学,但是由于它仅通过重力与我们的物质耦合,因此它可以逃脱检测。实际上,它的物理学类似于在已知的物理学中增加许多强烈相互作用的无质量场,因此,它会产生所需的负能量。”

从外部来看,Maldacena和Milekhin得出的结论是,这些虫洞类似于中等大小的带电黑洞,它们会产生类似的强大潮汐力,航天器需要警惕。他们声称,要做到这一点,潜在的旅行者在穿过虫洞的中心时需要非常大的提升因子。

假设这是可能的,问题仍然是这些虫洞是否可以充当时空两点之间的捷径。如前所述,哈佛大学的丹尼尔·贾菲里斯(Daniel Jafferis)的先前研究(也考虑了爱因斯坦和内森·罗森的研究)表明,尽管可能,稳定的虫洞实际上要比正常虫洞穿越更长的时间。

但是,根据Maldacena和Milekhin的工作,从旅行者的角度来看,它们的虫洞几乎不需要时间来穿越。从局外人的角度来看,行进时间会更长,这与广义相对论相符,在广义相对论中,接近光速行进的人会经历时间膨胀(即时间变慢)。正如Maldacena和Milekhin所说:

“] F或宇航员穿过虫洞,它们仅需花费一秒钟的时间就可以到达10,000光年的距离(约5万亿英里或银河系大小的1/10)。虫洞并留在外面,使它们花费了超过10,000年的时间。由于重力使飞船加速和减速,所有这些都无需使用燃料。”

另一个好处是,由于虫洞本身的重力会加速和减速飞船,因此无需使用燃料就可以穿越这些虫洞。在太空探索的情况下,飞行员需要导航蠕虫洞的潮汐力,以将其航天器正确定位,然后让自然完成其余的工作。一秒钟后,它们会出现在银河系的另一侧。

尽管这对于某些人认为虫洞可能成为某天的太空旅行手段的人来说可能令人鼓舞,但马尔达塞纳和米利欣的工作也存在一些重大缺陷。首先,他们强调,由于不存在自然形成的合理机制,因此必须使用负质量来设计可穿越的虫洞。

尽管这是可能的(至少在理论上是这样),但必须事先提供必要的时空配置。即使如此,所涉及的质量和尺寸仍然很大,以至于这项任务超出了我们可以预见的任何实用技术。其次,只有在空间寒冷而平坦的情况下,这些虫洞才是安全的,而Randall Sundrum II模型除外。

最重要的是,任何进入虫洞的物体都将被加速,甚至普遍存在的宇宙本底辐射的存在也将成为重大危害。但是,Maldacena和Milekhin强调,进行研究是为了证明“广义相对论与量子物理学之间的微妙相互作用”会导致可穿越的虫洞。

简而言之,虫洞不太可能成为在太空中穿行的实用方法,至少在任何可以预见的方式中都是如此。也许他们不会超越Kardashev II型或III型文明,但这只是推测。即便如此,知道科幻小说的主要内容并不超出可能性范围无疑是令人鼓舞的。

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