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文章作者:管理一号 | 2019-08-30
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虫洞,这类由狭义相对论预言的独特构造,是连接时空中相距悠远的两个区域的捷径,因此依附了很多人完成时空观光的妄图。不过,如今迷信家从未证明过虫洞的存在,更不消说从虫洞中穿越了。

近日,加州大年夜学圣芭芭拉分校的付子操、Brianna Grado-White和Donald Marolfa在预印本文库网站发了两篇论文,他们构造了一个可穿越虫洞的新模型。根据他们的研究,如许的虫洞可以或许活着界学常数等于0的时空中存在。

拓扑世界监督道理

在Grado-White等人的论文中,他们起首证清楚明了可穿越虫洞在普通的时空中是不存在的,而这后头用到的物理道理是“拓扑世界监督道理”(Topological censorship)。

早在1993年,物理学家J。 L。 Friedman、K。 Schleich和D。 M。 Witt等人就宣布了拓扑世界监督道理的论文,这一道理可以或许认为是1969年相对论专家彭罗斯提出的“世界监督猜想”(cosmic censorship hypothesis)的持续。

世界监督猜想指出,一个改变的带电黑洞弗成能改变得太快,由于巨大年夜的改变角速度会让被黑洞视界包裹的奇点裸显现来,而这是背背相对论因果性的。但彭罗斯不克不及从数学物理的视点来证明这个猜想,因而他认为,须要一个像上帝雷同的“世界监督”来禁止黑洞裸露奇点。

到了1993年,世界监督猜想还没被证明,但J。 L。 Friedman、K。 Schleich和D。 M。 Witt等人持续提出了拓扑世界监督道理。要懂得这项道理,我们起重要懂得类光能量条件(null energy condition)。

在时空中,光子的轨迹是一条类光曲线,这条曲线在时空中的每点都有一个切矢量,记作类光矢量(k)。其他,爱因斯坦的引力方程中,有描述物质信息的能量动量张量(T)。T是2阶张量,可以或许算作一个矩阵;而k是一个矢量,可以或许算作是一个列向量。因此,当T与两个k相乘,取得一个数。关于一切浅显的物质,这个数是大年夜于等于0的,这就是类光能量条件:

根据拓扑世界监督道理,假设世界中的物质的能量动量张量不破坏类光能量条件,那么时空不克不及有特其他拓扑构造。也就是说,时空在拓扑上应当等价于四维欧氏空间、四维球面等简单的几何体,而不该该出现类似自行车内胎如许的古怪拓扑构造。而可穿越虫洞,就归于一种古怪的拓扑。所以,根据拓扑世界监督道理,在正常的时空中,可穿越虫洞不会存在。

有须要背背类光能量条件

那么,甚么时辰虫洞可以或许存在,而能被物质所穿越呢?

虫洞作为一种时空的拓扑构造,是遭到爱因斯坦引力场方程限制的。爱因斯坦引力场方程的左边是空间曲率,而左边是能量动量张量。

可穿越虫洞的存在,有一个基来源基本则,那就是物质场的能量动量张量有须要背背类光能量条件。

任何一个的可穿越虫洞,有须要有背背类光能量条件的“负能量”来支撑。换句话说,假设一群光子想要穿越虫洞,那么这群光子对应的测地线不克不及在虫洞里会聚,这须要用到印度的有名物理学家瑞查德符里(Amal Kumar Raychaudhuri)提出的方程。

研究虫洞实际的哈佛大年夜学物理学博士高苹告诉《全球迷信》:“经过瑞查德符里的方程可以或许看出,在虫洞中,光线只要在物质场的能量动量张量背背类光能量条件下,才不会撞上奇点——在这类情况下,集合在虫洞一真个光线在分开虫洞的另外一端时会散开,如许才能够从虫洞中逃出来。”

因此,拓扑世界监督道理与瑞查德符里方程都指向同一个结论:“要想穿越虫洞,有须要要有背背类光能量条件的负能量!”

用世界弦构造可穿越虫洞

在Grado-White等人的论文,他们就在此基本上,构造了一个可穿越的虫洞。

起首,他们须要有两个带电黑洞,并且这两个黑洞的电荷是相反的。也就是说,其间一个黑洞带正电,另外一个黑洞带负电。(虽然如许的带电黑洞在实际世界中不罕见,但实际上它可以或许活着界学常数等于0的正常时空中存在)为甚么要让黑洞带着电荷?这是由于带电黑洞外部的奇点可以或许被拉伸歪曲,从而构成一座通向另外一个带电黑洞的桥,这个桥就是迷信家梦寐以求的虫洞的雏形。

然则,有了虫洞的雏形照样不敷的。由于带电黑洞之间存在万有引力和电磁力,这些力都是彼此吸引的,它们会让两个黑洞彼此接近,这就不克不及构造出一个安稳的虫洞。

那么,若何才能让虫洞安稳上去呢?他们想到了世界弦。

世界弦是一个来自弦论的实际模型,可以或许被算作是大年夜爆炸今后的时空构造被冰冻时构成的奇怪物体,具有很强健的张力(弹性)。早期世界中出现的弦假设随世界收缩而扩大年夜,那么就可以够成为标准很大年夜的世界弦。这类世界弦可以或许长达几万光年,成为连接两个黑洞的管道。在Grado-White等人的论文中,他们用到了两根世界弦。

以下图所示,蓝色的世界弦是一个闭弦,可以或许振荡起来产生负能量。他们计算了这些负能量对时空几何的影响,发明它确切可以或许防止虫洞坍塌。而黑色的世界弦是一个开弦,它连接了两个带电黑洞的端口,依托世界弦巨大年夜的张力阻拦两个黑洞彼此靠近。

 

这个处理筹划使得虫洞不只安稳,并且可以或许被穿越。穿越这个虫洞所要花费的时间,大年夜致与间隔与光速的商在同一个量级,所以,这是一个“不快不慢”的虫洞。而在马尔达西纳等人提出的永久虫洞里,穿越的时间则要长很多,如许的永久虫洞其实不合适星际观光,只合实用来回避星际战斗。

曾经的可穿越虫洞研究大年夜多都与反德西特时空(世界学常数为正数)有关,而最新的研究构造了一种活着界学常数为0的时空中可以或许存在的可穿越虫洞,这使得全部研究看起来其实更符合实际。


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