视界内的3种情况,你可以穿越虫洞

虽然黑洞被包裹在事件视界内,用任何已知的方法都无法直接观测内部,但是无法阻挡人类的好奇心和探索的欲望。

狭义相对论,自从1905年阿尔伯特·爱因斯坦首次提出这个概念以来,它就一直是太空探险家、未来学家和科幻小说作家的祸根。对于我们这些梦想着人类有朝一日成为星际物种的人来说,这一科学事实就像一件令人扫兴的事,因为它离我们实在太远了。幸运的是,有一些理论概念已经被提出,这些概念表明,总有一天,超光速旅行仍然是可能的。

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目前一个流行的例子关于虫洞的概念是来自一种推测性的结构,在时空中连接两个遥远的点,使星际空间旅行成为可能。但是最近,一组常春藤盟校的科学家进行了一项研究,表明“可穿越的虫洞”实际上是现实的。坏消息是,他们的研究结果表明,这些虫洞并不完全是捷径,它们可能相当于宇宙中的“长路漫漫”!

星际飞船

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科幻电影《星际穿越》的男主角主动脱离飞船,进入黑洞内部就是为了一窥究竟。

这并不是男主角自杀的行为,在电影的一开始就介绍了,科学家们已经计算出在黑洞内可能有另外的时空,只是参数不确定。

虫洞理论最初是爱因斯坦广义相对论场方程的一种可能解。1915年爱因斯坦发表该理论后不久,德国物理学家卡尔·史瓦西发现了一个可能的解决方案,不仅预言了黑洞的存在,而且还预言了连接黑洞的捷径。

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不幸的是,史瓦西发现任何连接两个黑洞的虫洞都会坍塌得太快,任何东西都无法从一端穿过另一端。唯一能穿越它们的方法是它们被具有负能量密度的外来物质的存在所稳定。哈佛大学(Harvard
University)物理学副教授丹尼尔·贾佛瑞斯(Daniel
Jafferis)对此持不同观点,他认为可穿越虫洞结构的前景一直是一个迷人的想象,或许不会那么糟糕。

《星际穿越》的男女主角

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最开始提出这种观点的是霍金。霍金对黑洞的研究过程中提出:物体越过黑洞视界向黑洞堕落的过程中,就可能会出现违反时序的情况。

整个电影的故事背景就是在霍金的这一理论下展开的。科学家计算出了除了物理奇点之外还有别的奇点,这个奇点其实并不是物理意义上的点。而只是数学计算上的点。可以认为是时空的拐点,如同地球和月亮之间的拉格朗日平衡点。

为了本研究的目的,科学家检验了爱因斯坦和Nathan
Rosen在1935年所做的工作。为了扩展Schwarszchild和其他科学家寻找GR解决方案的工作,他们提出了时空中两个遥远点之间可能存在的“桥梁”(被称为“爱因斯坦-罗森桥”或“虫洞”),理论上可以允许物质和物体在它们之间通过。

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到2013年,理论物理学家伦纳德·苏斯金德(Leonard
Susskind)和胡安·马尔达塞纳(Juan
Maldacena)将这一理论用作GR和“量子纠缠”的可能解决方案。这个理论被称为ER=EPR猜想,它表明虫洞就是为什么一个基本粒子的状态可以和它的伙伴纠缠在一起,即使它们相隔数十亿光年。

时空扭曲效果黑洞事件视界所包裹范围内可能出现的情况,有三种。第1种:所有的质量都集中在奇点。

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黑洞没有温度,只有质量、电荷和自旋。在黑洞的理论诞生很长一段时间内,这都是科学家的主流认识。这个理论又被称为黑洞无毛定理。

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正是从这里,科学家雅弗里斯发展了他的理论,假设虫洞实际上可以被光粒子穿过。为了验证这一点,雅弗里斯在Ping
Gao和Aron
Wall(分别是哈佛大学的研究生和斯坦福大学的研究科学家)的帮助下进行了分析。

大黑洞“卡冈图雅”外围的行星第2种:考虑物质在向奇点汇聚的过程中,越过普朗克尺度产生的量子效应,会发生一次剧烈的反弹。

他们发现,虽然理论上可以穿过虫洞,但这并不是我们所希望的宇宙捷径。正如Jafferis在AIP的一份新闻声明中所解释的那样,“穿过这些虫洞比直接进入要花更长的时间,所以它们对太空旅行不是很有用。”

这个反弹的结果,是在黑洞的内部会形成一个和我们现在宇宙相似的,微型的宇宙。这个观点在黑洞理论的诞生时,就有科学家持有这样的观点,但是并不是主流。因为主流的观点认为是黑洞是没有温度的,所以里面是不存在任何生态的。

基本上,他们的分析结果表明,黑洞之间的直接连接比虫洞连接要短。对于那些对星际旅行的前景感到兴奋的人来说,这听起来无疑是个坏消息,但好消息是,这个理论为量子力学领域提供了一些新的见解。

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“这项工作的真正意义在于它与黑洞信息问题的关系,以及重力和量子力学之间的联系,”Jafferis说。他提到的这个“问题”被称为黑洞信息悖论,这是自1975年以来天体物理学家一直在努力解决的问题,当时斯蒂芬·霍金发现黑洞有温度,并且缓慢地泄漏出霍金辐射(实际上这个辐射还没被证实过)。

可能存在于黑洞内部的超智慧结构

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但是霍金发现黑洞的视界表面,会有辐射向外发出。间接证据证明,霍金辐射很可能是存在的。根据霍金的观点,黑洞越小辐射越强烈,极小的黑洞会在瞬间之内蒸发。所以到目前为止,还不存在微型黑洞。

霍金辐射证明了黑洞是有温度的。这个观点是现在主流科学家的观点。有温度的物体,内部绝对不是死寂一片。这就引来了人类无限的好奇心,可以说《星际穿越》是向霍金的学术研究成果致敬。

这个悖论与黑洞是如何保存进入黑洞的任何信息有关。科学家认为任何吸积到表面的物质即使会被压缩到奇点,但由于时间膨胀,物质在压缩时的量子态会被保存下来。简单来说它会在时间中冻结。

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但是如果黑洞以辐射的形式失去质量并最终蒸发,这些信息最终将会丢失。通过发展一种理论,光可以穿过黑洞,这项研究可以发展出一种解决这个悖论的方法,即霍金辐射实际上来自时空的另一个区域。

隐藏在黑洞内部时空泡泡里的城市第3种情况:《星际穿越》里面描述的黑洞内部场景。

它也可能帮助那些试图发展一种将引力与量子力学统一起来的理论的科学家,即量子引力,。这是因为Jafferis使用量子场论工具来假设可穿越黑洞的存在,从而消除了对外来粒子和负质量的需要,它提供了一个关于视界后面区域的因果探知,一个观察时空内部观察者体验的可以从外部进入的窗口,它将教会我们关于规范重力对应关系、量子重力的深层次知识,甚至可能是一种新的量子力学表述方式。

这个黑洞内部的场景,理论依据是对黑洞内部时空构造的最新研究成果。

但是理论物理的突破可能是一把双刃剑,一只手拿回来,另一只手拿走。因此,尽管这项研究可能给超光速旅行的梦想泼了更多冷水,但它很可能帮助我们解开宇宙中一些更深层次的谜团。谁知道呢?也许其中的一些知识会让我们找到一种方法来绕过这个被称为狭义相对论的绊脚石!你说呢?

这个观点实际上是折中的第1种情况和第2种情况。承认第1种物理的奇点,还存在着时空的奇点。这只是一种计算奇点。

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在温和奇点的机械卫士

物体向物理奇点跌落的过程中,会困在这个”温和奇点”附近。所以掉入黑洞的物质不会落到物理奇点,男主人公才会保住自己的小命。

“温和奇点”,可以看成是地球和月球之间的拉格朗日点那样,是一个时空交错的平衡点。

这样的设定,《星际穿越》才有了故事展开的空间。

《星际穿越》里,未来的人类在这个时空奇点放置了一个超立方体,男主人公掉进去以后遇到了这个超立方体。这个超立方体连接着很多细细的线,这些线就是所谓的世界线。

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超立方体连接着世界线

电影里的世界线只是用一种影视化表现手法。真实的世界线,是在闵氏空间中记录的每一个粒子的历史瞬时存在连接成的线。

主人公通过拨动世界线的方法向自己的女儿传递信息。这也是影视中的一种比喻手法,实际上是不能用手直接去拨动这些线。任何想触动世界线的努力都会引起历史的完全改变。

影视中的主人公是通过进入更高维度,返回过去。更高维的空间,现在还没有实验证据。

但是,出现“更高维度”是唯一不破坏相对论又能超越时空的方法。可能所有人都期待这一刻。

拨动世界线和返回高维空间,都是科幻故事里幻的部分,这是以故事展开的前提存在的。

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人类突破大过滤器,建设的未来太空城《星际穿越》里第1个破坏科学规律的bug,本来可以避免。

主人公去的那个黑洞太小了。黑洞的质量是1亿个太阳,黑洞直径是3亿公里,相当于1.95个天文单位。视界表面的重力加速度高达15500g,会把人撕碎的。

可供安全接近的黑洞,尺寸要达到0.94光年以上,质量要在15,000亿个太阳。

科幻迷们要牢记:黑洞越大越安全。15,000亿个太阳的黑洞,世界表面的重力加速度刚好是与地表相当,是一个g。

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停泊在10万光年巨型黑洞视界表面的外星飞船星际穿越里的第2个bug,在影片中一开头出现在木星附近的虫洞太小了。

在大自然中虫洞是不存在的,不可能维持这样稳定的结构。这是科幻中”幻”的那一部分,也是故事展开的前提。

但是,如果存在可供安全穿越的虫洞,直径也要至少在0.94光年以上。这个本来也是可以避免的。按照小编的观点,虫洞最好有10光年,把整个太阳系都包住,把太阳系放在时空鞍点。

总的来说,《星际穿越》是一部具有深厚的理论背景,BUG点比较少的科幻片。

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虫洞是明亮的,因为会汇聚周边的星光作者特别提示:

关于黑洞的所有理论研究,都是围绕着广义相对论场方程的解进行的。所有和黑洞相关的科幻作品,都是广义相对论光环下的衍生物。

到目前为止,广义相对论场方程接受了各种极其严苛的检验,证明了其无比的计算精度。这是人类目前最伟大和最坚不可摧的科学理论。

再一次纪念伟大的爱因斯坦。

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卡尔波普尔的思想来自爱因斯坦

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