如何通过虫洞?

14 11月

虫洞的概念大家一定都不陌生,例如哆啦A梦的随意门,其实就是开了个虫洞,让我们能够瞬间穿越到宇宙的任意地方。虫洞就是最快的星际穿越的方式。

在二维纸面上最快速从A点到达B点的方式就是走直线。但在三维世界,只要将纸弯曲,让AB两点重合,就能瞬间从A点到达B点。虫洞原理也是如此。

根据爱因斯坦的广义相对论,我们的宇宙就像一张时空膜,有质量的物体都能造成时空膜的扭曲,导致物体间相互靠近,这就是引力。引力就是时空膜的扭曲造成的宏观的运动的观察结果。所以引力不是力,而是一种结果的体现,你体会一下。最明显的就是星球间的运动:

只要在出发地和目的地都安放一个大质量的物体,让时空膜极度凹陷,并接触到一起,就形成了一个虫洞:

二维模型图只是便于我们理解,如果真有虫洞,出入口肯定不是上图中漏斗状的。三维世界里虫洞的出入口会是个球形,360度都能进入虫洞。诺兰导演的《星际穿越》应该是近些年最真实,最高水准的科幻片,剧中未来人类在土星附近放了个虫洞,帮助人类寻找新的家园。剧中球形虫洞的样子:

将时空膜极度凹陷,只能将出入口两边的时空膜触碰在一起。要想形成虫洞,需要将凹陷底部的时空膜撕破。不撕破底部时空膜,就好像两根针的针尖隔着时空膜碰了一下:

这样的虫洞,只有微观粒子能穿过去,好像穿墙术。描述微观粒子运动的量子力学领域里,运动不是因果决定论,一切都是概率。微观粒子有一定概率,不需要足够的能量就能穿过能量势垒,这就是“隧道效应”。就像在时空膜上开了个隧道,粒子有一定概率,仿佛没有意识到时空膜的存在,就这么穿过去了。让我们在时空膜的另一边有一定概率发现粒子。你体会一下。

但宏观物体就不行了,因为宏观物体的运动是因果决定论。宏观物体要穿墙,就先要有足够的能量将墙打破,即撕破时空膜,使得虫洞形成一个隧道,这样才能穿过去。

大质量或暗能量可以让时空膜压缩或膨胀,但要撕破时空膜,需要“负能量”。先理解一下“量子涨落”。

例如我们看一个平静的湖面,会觉得心神宁静。但如果贴近湖面近距离观察,会发现湖面一点都不平静。充满着水波,经常溅出一个水滴,这就像“量子涨落”:

溅出一个水滴的同时,就会在湖面上挖个洞。我们的宇宙在微观尺度上无处不在“量子涨落”。每当空间中随机出现一个带正能量的粒子。根据能量守恒,在时空膜上会就留下了一个带负能量的洞,带负能量的粒子也被称为“负粒子”。

就像水滴很快会回落,填满水洞。空间里涨出来的正粒子,时间很短,极不稳定,很快就会回落,填满空间中的洞,能量归零,和负粒子相互湮灭。所以我们的宏观世界看上去一切都风平浪静。

人类的科技无法做到在在宏观尺度里收集“负能量”,但黑洞可以。

黑洞就是引力大到连光都无法逃逸的星球。地球的逃逸速度是11.2公里/秒,只要大于这个值,地球的引力就不足以将你拉回地面。星球质量越大,引力就越大,逃逸速度也越大,当星球的逃逸速度大于光速时,就形成了个黑洞。

引力的大小和距离成正比,越靠近黑洞受到的引力越大。靠近黑洞有个临界距离,越过这条线,就连光都无法离开黑洞,发生在黑洞里的所有事件都无法被黑洞外的人所观察到,这条临界线被称为“视界”。

上面说了在微观尺度会发生大量的“量子涨落”,因为溅出来的正粒子很不稳定,立即会回落,和负粒子相互湮灭,所以宏观世界什么都没发生。但如果“量子涨落”发生在黑洞的“视界”上呢?

溅出来的正粒子在“视界”外,而负粒子在“视界”内被拉进了黑洞,这样正粒子就没办法回落回去填满这个洞了。等于在黑洞的“视界”附近,凭空出现了一些“多余”的正粒子。宏观上看,就好像黑洞在向外辐射正粒子,这就是“霍金辐射”。

黑洞吸入的负粒子会和黑洞内的正粒子中和湮灭。所以一些小型黑洞,如果周围没有足够的物质被它吃进去,这些小黑洞会快速蒸发掉,这就是“黑洞蒸发”。因为小黑洞的“视界”处持续吃进负粒子,中和体内的正粒子,但又没有新的食物补充进来,最终就会活活饿死并消失。

霍金从量子理论到宇宙学,他对物理学做出了深远的贡献。他尝试了将量子力学与广义相对论结合起来说明黑洞其实没有那么“黑”。

你可能会奇怪,在“视界”处发生量子涨落时,黑洞吃进正负粒子的概率应该都是50%,为何只有正粒子被喷射出来,产生了“霍金辐射”?

并不是黑洞更倾向于吃进负粒子,而是因为负粒子无法在我们所处的正常的时空里稳定存在。“视界”处产生的负粒子很快消失,导致我们只能观察到辐射出正粒子。

所谓正常的时空,就是我们能感受到的时间正向流逝的时空,但在黑洞里因为时空膜的极度扭曲到一个奇点,时间不是必然正向流逝的,负粒子理论上可以长时间稳定地存在。

诺兰导演的《星际穿越》里,男主掉入了黑洞里,“视界”内的时空和我们所处的时空的结构不一样,时间无所谓正向负向,所以男主可以通过引力波给过去的女儿传递信息。

在我们所处的正常的时空里,负能量目前只能存在于微观尺度,在宏观尺度做不到收集负能量,所以虫洞至今未能被人类发现。但科学家们猜想虫洞有可能在微观尺度上大量存在,可能的表现就是“测不准原理”和“量子纠缠”。

如果人类能制造出像黑洞般大的引力就能收集到稳定的“负能量”,凿穿虫洞两边时空膜的凹陷底部,形成人能通过的隧道。虽然建造虫洞的路遥远又漫长,但我们的目标是星辰大海!

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