讓穿越蟲洞成為可能:或許有一個改進的引力理論就可以

有沒有興趣穿越蟲洞,穿越時空?也許你也想不費吹灰之力地在宇宙中從一個恆星系統飛越到另一個恆星系統。但是,首先,你最好確保你的蟲洞是可穿越的。
任何人試圖穿越的那個蟲洞如果不滿足可穿越這個條件的話,他就有可能被困在蟲洞裡面,就像被困在坍塌的隧道里一樣。

讓穿越蟲洞成為可能:或許有一個改進的引力理論就可以

天文學家正嘗試虛擬“建造”一個穩定可穿越的蟲洞,一個可以安全穿越的蟲洞,並且這個理論上的隧道不會坍塌或困住裡面的時空穿梭者。他們發現,這樣的蟲洞確實可能存在,但前提是我們需要調整一下對引力的認識。

可穿越性問題

理論上,蟲洞看似非常容易建造。以引力理論為起點。在愛因斯坦的廣義相對論中,引力定義了物質和能量、空間與時間之間的關係。建造蟲洞的秘訣是找到一個物質和能量的配置,允許你製造出一條隧道——在蟲洞研究領域,這個隧道通常被稱為“喉嚨”——連接空間中兩個遙遠的點。

原則上,蟲洞的喉嚨可長可短。但是當喉嚨遠遠短於兩點之間的正常距離時,更有趣的蟲洞出現了,它可以成為一條捷徑。當然,蟲洞也可以作為時間機器,根據蟲洞的構造,可以把人送去未來或送回過去。

幾十年來,這個異想天開的“快捷通道”吸引了無數科學家和科幻作者。

拜訪其他恆星(乃至其他星系)的可能性,發現外星文明的可能性,以及重回過去或不必等待未來的可能性,一直以來都是人類幻想的一部分,而蟲洞為這些問題提供了(相對)簡單和統一的解決辦法。

但是,基於廣義相對論設定的標準所建造的蟲洞存在一個主要的問題:它們實際上是不可穿越的。廣義相對論的蟲洞入口隱藏在事件視界背後,而事件視界是太空中的單向壁壘,也就說進入之後沒辦法出來。這就意味着,一旦你進入蟲洞,你可能永遠無法離開,這就違背了穿越蟲洞的初衷。

另一個問題是,這些蟲洞也非常不穩定。即使是單個光子進入蟲洞喉嚨的那一瞬間,整個蟲洞也會在光子可以逃逸之前災難性地坍塌。

新的引力

為了解決廣義相對論中的這些問題並使蟲洞變得穩定,宇宙穿梭者必須用一種極其奇特的成分(一種具有負能量或負質量的物質形式)來塑造蟲洞。顧名思義,負質量物質(也叫異常物質)就是,如果某樣東西的質量為負的 10 磅,那這個東西就是負質量的。科學家們到現在還沒有在宇宙任何地方觀察到負質量物質。不過,負能量倒是更容易獲得,即在某個特定位置,能量相對於周圍環境為負時,那就是負能量,只不過負能量僅能夠在微觀量子尺度上實現。

這種物質的存在必不可少,因為它可以防止蟲洞喉嚨在穿梭者進入時坍塌,但這種物質本身也存在問題。它呈現出負的平均能量密度,這是宇宙中極其罕見的一個物質特徵,僅在量子水平層面非常特定的情況下可以觀察到。

由於這種物質十分罕見,在我們的宇宙中用這種異常物質建造一個完整蟲洞的想法幾乎不現實。

但是,以上所有這些關於蟲洞的假設都是以廣義相對論為基礎的。雖然廣義相對論在過去一個世紀里經受住了每一次的觀察和實驗考驗,但我們依舊清楚廣義相對論並非引力的最終定論。相對論無法描述黑洞的中心,宇宙最早期的瞬間以及相對論自身和物理學之間的聯繫。

所以,或許有一個新的、改進的引力理論可以允許蟲洞存在。

讓穿越蟲洞成為可能

天文學家採用了一個經過調整的引力形式,稱為“廣義混合度量-帕拉蒂尼引力”。這個引力理論以廣義相對論為基礎,但物質與能量、時間與空間之間的關係具有更大的靈活性。

早期的研究發現,在這個修改的引力理論下,可穿越的蟲洞是可能存在的,但在蟲洞喉嚨之外仍需要負能量,用普通物質的雙層薄殼把蟲洞入口分層之後,蟲洞無需任何負能量也可穿越。

調整引力之後,這些保證蟲洞可穿越性所需的引力效果就會自然而然地產生,我們也就不再需要異常物質(負質量物質)來實現這個目的。

接下來,天文學家希望測試這個修改後的特殊引力理論。這只是朝着最終目標邁出的一小步。現在,我們必須用實驗數據和觀測(如引力波和銀河系中心附近的恆星軌跡)來進行測試,但願可以確認這些理論的有效性。

雖然到目前為止廣義相對論已經解釋了所有的引力測量(包括引力波和黑洞附近的引力),但故事遠未結束。未來的觀測或許會在這個古老的理論中找到一個突破口。如果廣義混合度量-帕拉蒂尼引力可以更好地解釋宇宙觀測,那麼為時空旅行而設計的蟲洞也許真的可行。

但問題不會就此結束。蟲洞另一方面也可以穿越時間。所以一個可行的蟲洞解決方案也將意味着人類可以回到過去;這又會引發一系列難題(如所謂的“祖父悖論”以及有關因果關係的問題)。不過可以肯定的是,可穿越蟲洞的存在不僅會使我們的科幻夢想成真,我們對物理學的理解也將被徹底顛覆。