宇宙弦+黑洞,搭建可以穿越的虫洞!

2019-08-30| 发布者: 俊行天| 查看: 129

  来源:环球科学

  虫洞,这种由广义相对论预言的奇特结构,是连接时空中相距遥远的两个区域的捷径,因此寄托了很多人实现时空旅行的梦想。不过,目前科学家从未证实过虫洞的存在,更不用说从虫洞中穿越了。

  近日,加州大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,这样的虫洞可以在宇宙学常数等于0的时空中存在。

  拓扑宇宙监督原理

  在Grado-White等人的论文中,他们首先论证了可穿越虫洞在一般的时空中是不存在的,而这背后用到的物理原理是“拓扑宇宙监督原理”(Topological censorship)。

  早在1993年,物理学家J。 L。 Friedman、K。 Schleich和D。 M。 Witt等人就发表了拓扑宇宙监督原理的论文,这一原理可以认为是1969年相对论专家彭罗斯提出的“宇宙监督猜想”(cosmic censorship hypothesis)的延续。

  宇宙监督猜想指出,一个旋转的带电黑洞不可能旋转得太快,因为巨大的旋转角速度会让被黑洞视界包裹的奇点裸露出来,而这是违反相对论因果性的。但彭罗斯不能从数学物理的角度来证明这个猜想,于是他认为,需要一个像上帝一样的“宇宙监督”来禁止黑洞裸露奇点。

  到了1993年,宇宙监督猜想还没被证明,但J。 L。 Friedman、K。 Schleich和D。 M。 Witt等人继续提出了拓扑宇宙监督原理。要理解这项原理,我们首先要了解类光能量条件(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一点都有一个切矢量,记作类光矢量(k)。另外,爱因斯坦的引力方程中,有刻画物质信息的能量动量张量(T)。T是2阶张量,可以看成一个矩阵;而k是一个矢量,可以看成是一个列向量。因此,当T与两个k相乘,得到一个数。对于所有普通的物质,这个数是大于等于0的,这就是类光能量条件:

  根据拓扑宇宙监督原理,如果宇宙中的物质的能量动量张量不破坏类光能量条件,那么时空不能有特殊的拓扑结构。也就是说,时空在拓扑上应该等价于四维欧氏空间、四维球面等简单的几何体,而不应该出现类似自行车内胎这样的奇怪拓扑结构。而可穿越虫洞,就属于一种奇怪的拓扑。所以,根据拓扑宇宙监督原理,在正常的时空中,可穿越虫洞不会存在。

  必须违反类光能量条件

  那么,什么时候虫洞可以存在,而能被物质所穿越呢?

  虫洞作为一种时空的拓扑结构,是受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,而右边是能量动量张量。

  可穿越虫洞的存在,有一个基本原则,那就是物质场的能量动量张量必须违反类光能量条件。

  任何一个的可穿越虫洞,必须有违反类光能量条件的“负能量”来支撑。换句话说,如果一群光子想要穿越虫洞,那么这群光子对应的测地线不能在虫洞里汇聚,这需要用到印度的著名物理学家瑞查德符里(Amal Kumar Raychaudhuri)提出的方程。

  研究虫洞理论的哈佛大学物理学博士高苹告诉《环球科学》:“通过瑞查德符里的方程可以看出,在虫洞中,光线只有在物质场的能量动量张量违反类光能量条件下,才不会撞上奇点——在这种情况下,聚焦在虫洞一端的光线在离开虫洞的另一端时会散开,这样才可以从虫洞中逃出来。”

  因此,拓扑宇宙监督原理与瑞查德符里方程都指向同一个结论:“要想穿越虫洞,必须要有违反类光能量条件的负能量!”

  用宇宙弦构造可穿越虫洞

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

  首先,他们需要有两个带电黑洞,而且这两个黑洞的电荷是相反的。也就是说,其中一个黑洞带正电,另一个黑洞带负电。(虽然这样的带电黑洞在现实宇宙中不常见,但理论上它可以在宇宙学常数等于0的正常时空中存在)为什么要让黑洞携带电荷?这是因为带电黑洞内部的奇点可以被拉伸扭曲,从而形成一座通向另一个带电黑洞的桥,这个桥就是科学家梦寐以求的虫洞的雏形。

  但是,有了虫洞的雏形还是不够的。因为带电黑洞之间存在万有引力和电磁力,这些力都是相互吸引的,它们会让两个黑洞相互靠近,这就不能构造出一个稳定的虫洞。

  那么,如何才能让虫洞稳定下来呢?他们想到了宇宙弦。

  宇宙弦是一个来自弦论的理论模型,可以被看成是大爆炸以后的时空结构被冰冻时形成的奇异物体,具有很强大的张力(弹性)。早期宇宙中出现的弦如果随宇宙膨胀而放大,那么就可能成为尺度很大的宇宙弦。这种宇宙弦可以长达几万光年,成为连接两个黑洞的管道。在Grado-White等人的论文中,他们用到了两根宇宙弦。

  如下图所示,蓝色的宇宙弦是一个闭弦,可以振动起来产生负能量。他们计算了这些负能量对时空几何的影响,发现它的确可以防止虫洞坍塌。而黑色的宇宙弦是一个开弦,它连接了两个带电黑洞的端口,依靠宇宙弦巨大的张力阻止两个黑洞相互靠拢。

  这个解决方案使得虫洞不但稳定,而且可以被穿越。穿越这个虫洞所要花费的时间,大致与距离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,这样的永久虫洞并不适合星际旅行,只适合用来躲避星际战争。

  以前的可穿越虫洞研究大多都与反德西特时空(宇宙学常数为负数)有关,而最新的研究构造了一种在宇宙学常数为0的时空中可以存在的可穿越虫洞,这使得整个研究看起来其实更符合实际。

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