蟲洞是否存在?如有,是什麼維持它?

我們是唯一的嗎?有可能有更奇妙更發達的生物在時空的邊緣看著我們的所做所為。在一個個時空中有可能有另個生命嗎?或!它們在另一個宇宙…………!!


蟲洞,學名愛因斯坦-羅森橋,是連接時空上兩個點的捷徑,超光速旅行和回到過去的熱門候選方法,也是科幻小說中長盛不衰的話題。微觀尺度上的蟲洞在量子真空中不斷出現,消失。但是,這樣的微型蟲洞十分微小,只能讓基本粒子通過,所以這樣的蟲洞對於一心想要跨越星系,穿梭時空的人類來說說,沒有實際的用處。

圖片來自Interstellar is REAL: Boffins create WORMHOLE in a lab

要創造宏觀尺度的蟲洞並且讓它保持穩定,我們需要負能量

當然不是這種負能量。

負能量(negative energy)是一種奇特的能量。不過在介紹什麼是負能量之前,我們需要先了解什麼不是負能量。

負能量不是反物質。基本粒子都有對應的反粒子,相遇時會互相湮滅。比如正電子和電子湮滅時,會變成伽馬射線。負能量也不是暗能量。暗能量是一種充斥於宇宙空間的能量,它以負壓力的方式推動宇宙加速膨脹,但是卻對製造蟲洞無能為力。無論反物質還是暗能量,它們都是正能量。

那麼什麼是負能量呢?

從宏觀上看,真空中一無所有。但是如果你湊近了看,卻會發現這其實是一片活躍的量子海洋。粒子-反粒子對不停地憑空出現,然後湮滅消失。就像你從飛機上看風平浪靜的大海,不會看見任何起伏。但是當你降落到海面,卻會發現海面有波浪,還有泡沫。

在很短的時間內,能量並不守恆。量子泡沫從空間中借來能量,只要很快歸還,大自然一點都不在乎。但是,如果我們有辦法讓這片喧囂的海洋平靜下來,真空就會表現出負能量。

在著名的卡西米爾效應中,我們就可以看到負能量的蛛絲馬跡。

圖片來自Casimir effect

在這個試驗中,兩塊距離很近的平行金屬板限制了它們之間的量子波動,使得金屬板之間的量子波動小於金屬板外的空間,這樣外面的量子波動對金屬板產生了向內的推力。你也可以把它看成金屬板內的空間產生了吸引力,讓兩塊金屬板互相靠近。如果我們認為外部空間的平均能量密度是0的話,兩塊金屬板之間就出現了負的能量密度。

另一個可以看到負能量的地方是黑洞。霍金在上世紀70年代提出了黑洞輻射理論。當一個粒子-反粒子對在黑洞視界邊緣從真空中蹦出來,正打算度過它們短暫的一生,然後相互擁抱,重歸虛無的時候,黑洞用它強大的引力打斷了這一過程。於是,一個粒子掉進了黑洞的無底深淵,而另一個卻得到了足夠的能量,逃離了黑洞。這樣,一個粒子(一份能量)就憑空產生了。基於能量守恆,掉進黑洞的那一個粒子必須帶有負能量。吃掉這個負能量的黑洞質量反而變小了。長此以往,黑洞越來越小,最後在一道閃光中煙消雲散。

圖片來自Black Hole Evaporation (page 3)

讓我們重新回到蟲洞的話題。蟲洞雖然寄託了我們超越光速的夢想,但是卻可望而不可及。物理學家約翰·惠勒和羅伯特·富勒在1968年提出,大型黑洞無法保持穩定。和黑洞一樣,蟲洞也是一種極致的時空彎曲。它會在引力的作用下迅速崩潰,在它轉瞬即逝的生命中,連光都來不及穿過去。

不過不要急於失望,後來的物理學家們(如基普·索恩)發現,負能量可以幫助蟲洞保持穩定。由於負能量可以產生排斥的引力,如果把負能量放置在蟲洞的通道周圍,它就能抵消蟲洞自身的引力,防止蟲洞坍塌。

不止蟲洞,科幻小說中另一個津津樂道的話題——曲率引擎,也離不開負能量的幫助。曲率引擎通過壓縮飛船前方的時空,同時擴展後方的時空,製造一個時空泡,讓空間推動飛船以超光速運動。而要維持時空彎曲,我們需要在飛船周圍布置大量負能量。

圖片來自Wormholes, Time Machines Warp Drives

那麼,怎樣才能得到足夠的負能量,來實現我們的超光速夢想呢?既然大自然時時刻刻都在整個宇宙範圍內大量製造負能量,看起來也並不太稀奇。但是問題在於,我們需要把負能量和正能量分離,單獨提取出來。這就走進了物理定律的雷區。

雖然空間中同時存在正能量和負能量,但是它們均勻的混合在一起,處於一種熵值極大的狀態。假如我們能有效地把兩種能量分開,無疑就降低了真空的熵值。我們得到的能量,可以用來驅動機器——這就是由真空能量驅動的第二類永動機。說到這裡你肯定看出來了,從真空中提取負能量的想法違反了熱力學第二定律。要想從真空中源源不斷的獲取能量,我們只能養一隻普朗克長度的麥克斯韋妖精,讓它在正反粒子對出現的瞬間,拿走其中一個。

大自然非常固執的堅持,負能量必須和正能量混合在一起。一份負能量必定和相應的正能量緊密相隨。你想要得到的負能量密度越大,它存在的範圍就越小。比如,在卡西米爾效應中,兩片金屬板距離越近,中間的負能量密度就越高。如果我們用卡西米爾效應的方式製造負能量,它的存在範圍比普朗克長度大不了多少,這樣的微型蟲洞連一個質子都鑽不過去。同時,如果你想要負能量和正能量分離的越遠,你能得到的負能量就越小。即使你願意付出正能量作為代價,要取得宏觀尺度的負能量也十分困難。

我們可以設想用一個盒子來捕捉負能量。由於負能量總是和正能量混合,我們可以設法在負能量波動進入盒子之後,而伴隨它的正能量進入之前關上盒子,這樣就得到了分離的負能量。然而,關上盒子這個動作卻會在盒子里產生一份正能量,把盒子里的負能量抵消掉,讓我們費盡心機的捕捉行動無功而返。

所以,負能量雖然無處不在,但是我們卻無法在宏觀尺度上獲取。同時,要維持蟲洞和曲率引擎所需要的負能量卻大得驚人(和大行星的質量差不多)。這個問題讓我們對於蟲洞和曲率引擎的美好憧憬只能停留在科幻小說,也把人類文明限制在可觀察宇宙(甚至太陽系)中,無法邁向無垠的星辰大海。


蟲洞(Wormhole)又稱愛因斯坦-羅森橋,是宇宙中可能存在的連接兩個不同時空的狹窄隧道。蟲洞是1930年代由愛因斯坦及納森·羅森在研究引力場方程時假設的,認為透過蟲洞可以做瞬時的空間轉移或者做時間旅行。

由阿爾伯特·愛因斯坦提出該理論。簡單地說,「蟲洞」就是連接宇宙遙遠區域間的時空細管。暗物質維持著蟲洞出口的敞開。蟲洞可以把平行宇宙和嬰兒宇宙連接起來,並提供時間旅行的可能性。蟲洞也可能是連接黑洞和白洞的時空隧道,所以也叫"灰道"。

蟲洞是宇宙中可能存在的連接兩個不同時空的狹窄隧道。蟲洞是1916年奧地利物理學家路德維希·弗萊姆首次提出的概念,1930年代由愛因斯坦及納森·羅森在研究引力場方程時假設,認為透過蟲洞可以做瞬時間的空間轉移或者做時間旅行。迄今為止,科學家們還沒有觀察到蟲洞存在的證據,一般認為這是由於很難和黑洞相區別。

蟲洞

為了與其他種類的蟲洞進行區分,例如量子態的量子蟲洞及弦論上的蟲洞,一般通俗所稱之「蟲洞」應被稱為「時空蟲洞」,量子態的量子蟲洞一般被稱為「微型蟲洞」,兩者有很大的區分。

黑洞有一個特性,就是會在另一邊得到所謂的「鏡射宇宙」。愛因斯坦並不重視這個解,因為我們根本不可能通行。於是,連接兩個宇宙的「愛因斯坦—羅森橋」(Einstein—Rosen bridge)被認為只是個數學伎倆。

但是,在1963年時,紐西蘭的數學家羅伊·克爾的研究發現,消耗掉大量氫燃料的的巨大恆星無法與自身引力相抗衡時,會自行崩塌,其中的時空受到大規模扭曲形成黑洞時,將會成為動態黑洞;史瓦西的靜態黑洞並不是最佳的物理解法。然而,實際上恆星會變成扁平的結構,不會形成奇點。也就是說:重力場並非無限大。這使得我們得到了一個驚人的結論:如果我們將物體或太空船沿著旋轉黑洞的旋轉軸心發射進入,原則上,它可能可以熬過中心的重力場,並進入鏡射宇宙。如此一來,愛因斯坦—羅森橋就如同連接時空兩個區域的通道,也就是「蟲洞」。為超弦理論提供了部分理論支持。

早在19世紀50年代,已有科學家對「蟲洞」作過研究,由於當時歷史條件所限,一些物理學家認為,理論上也許可以使用「蟲洞」,但「蟲洞」的引力過大,會毀滅所有進入的東西,因此不可能用在宇宙航行上。

「瞬間移動」的可能,如同超時空轉換。

隨著科學技術的發展,新的研究發現,「蟲洞」的超強力場可以通過「負質量」來中和,達到穩定「蟲洞」能量場的作用。科學家認為,相對於產生能量的「正物質」,「反物質」也擁有「負質量」,可以吸去周圍所有能量。像「蟲洞」一樣,「負質量」也曾被認為只存在於理論之中。不過,目前世界上的許多實驗室已經成功地證明了「負質量」能存在於現實世界,並且通過航天器在太空中捕捉到了微量的「負質量」。

據科學家猜測,宇宙中充斥著數以百萬計的「蟲洞」,但很少有直徑超過10萬公里的,而這個寬度正是太空飛船安全航行的最低要求。「負質量」的發現為利用「蟲洞」創造了新的契機,可以使用它去擴大和穩定細小的「蟲洞」。

科學家指出,如果把「負質量」傳送到「蟲洞」中,把「蟲洞」打開,並強化它的結構,使其穩定,就可以使太空飛船通過。

蟲洞來源

蟲洞的概念最初產生於對史瓦西解的研究中。物理學家在分析白洞——黑洞的相反物理量子解的時候,通過一個阿爾伯特·愛因斯坦的思想實驗,發現宇宙時空自身可以不是平坦的。如果恆星形成了黑洞,那麼時空在史瓦西半徑,也就是視界的地方與原來的時空垂直。在不平坦的宇宙時空中,這種結構就意味著黑洞視界內的部分會與宇宙的另一個部分相結合,然後在那裡產生一個洞。這個洞可以是黑洞,也可以是白洞。而這個彎曲的視界,就叫做史瓦西喉,它就是一種特定的蟲洞。(右圖片繪製:張嘉年)

自從在史瓦西解中發現了蟲洞,物理學家們就開始對蟲洞的性質發生了興趣。

蟲洞連接黑洞和白洞,在黑洞與白洞之間傳送物質。在這裡,蟲洞成為一個阿爾伯特·愛因斯坦—羅森橋,物質在黑洞的奇點處被完全瓦解為基本粒子,然後通過這個蟲洞(即阿爾伯特·愛因斯坦—羅森橋)被傳送到白洞並且被輻射出去。

蟲洞還可以在宇宙的正常時空中顯現,成為一個突然出現的超時空管道。理論推出的蟲洞還有許多特性,限於篇幅,這裡不再贅述。

總之,目前我們對黑洞、白洞和蟲洞的本質了解還很少,它們還是神秘的東西,很多問題仍需要進一步探討。目前天文學家已經間接地找到了黑洞,但白洞、蟲洞並未真正發現,還只是一個經常出現在科幻作品中的理論名詞。

蟲洞也是霍金構想的宇宙期存在的一種極細微的洞穴。美國科學家對此做了深入的研究。目前的宇宙中,「宇宙項」幾乎為零。所謂的宇宙項也稱為「真空的能量」,在沒有物質的空間中,能量也同樣存在其內部,這是由愛因斯坦所導入的。宇宙初期的膨脹宇宙,宇宙項是必須的,而且,在基本粒子論里,也認為真空中的能量是自然呈現的。那麼,為何目前宇宙的宇宙項變為零呢?柯爾曼說明:在爆炸以前的初期宇宙中,蟲洞連接著很多的宇宙,很巧妙地將宇宙項的大小調整為零。結果,由一個宇宙可能產生另一個宇宙,而且,宇宙中也有可能有無數個這種微細的洞穴,它們可通往一個宇宙的過去及未來,或其他的宇宙。

旋轉的或帶有電荷的黑洞內部連接一個相應的白洞,你可以跳進黑洞而從白洞中跳出來。這樣的黑洞和白洞的組合叫做蟲洞。

最後,即使蟲洞存在並且是穩定的,穿過它們也是十分不愉快的。貫穿蟲洞的輻射(來自附近的恆星,宇宙的微波背景等等)將藍移到非常高的頻率。當你試著穿越蟲洞時,你將被這些X射線和伽瑪射線烤焦。蟲洞的出現,幾乎可以說是和黑洞同時的。

理論形成

蟲洞的概念最初產生於對史瓦西解的研究中。物理學家在分析白洞解的時候,通過一個阿爾伯特?愛因斯坦的思想實驗,發現宇宙時空自身可以不是平坦的。如果恆星形成了黑洞,那麼時空在史瓦西半徑,也就是視界的地方與原來的時空垂直。在不平坦的宇宙時空中,這種結構就意味著黑洞視界內的部分會與宇宙的另一個部分相結合,然後在那裡產生一個洞。這個洞可以是黑洞,也可以是白洞。而這個彎曲的視界,就叫做史瓦西喉,它就是一種特定的蟲洞。

自從在史瓦西解中發現了蟲洞,物理學家們就開始對蟲洞的性質產生了興趣。

蟲洞連接黑洞和白洞,在黑洞與白洞之間傳送物質。在這裡,蟲洞成為一個阿爾伯特?愛因斯坦—羅森橋,物質在黑洞的奇點處被完全瓦解為基本粒子,然後通過這個蟲洞(即阿爾伯特·愛因斯坦—羅森橋)被傳送到白洞並且被輻射出去。

蟲洞還可以在宇宙的正常時空中顯現,成為一個突然出現的超時空管道。

蟲洞沒有視界,它只有一個和外界的分界面,蟲洞通過這個分界面進行超時空連接。蟲洞與黑洞、白洞的介面是一個時空管道和兩個時空閉合區的連接,在這裡時空曲率並不是無限大,因而我們可以安全地通過蟲洞,而不被巨大的引力摧毀。

黑洞、白洞、蟲洞仍然是目前宇宙學中「時空與引力篇章」的懸而未解之謎。黑洞是否真實存在,科學家們也只是得到了一些間接的旁證。當前的觀測及理論也給天文學和物理學提出了許多新問題,例如,一顆能形成黑洞的冷恆星,當它坍縮時,其密度已然會超過原子核、核子、中子……,如果再繼續坍縮下去,中子也可能被壓碎。那麼,黑洞中的物質基元究竟是什麼呢?有什麼斥力與引力對抗才使黑洞停留在某一階段而不再繼續坍縮呢?如果沒有斥力,那麼黑洞將無限地坍縮下去,直到體積無窮小,密度無窮大,內部壓力也無窮大,而這卻是物理學理論所不允許的。

總之,目前我們對黑洞、白洞和蟲洞的本質了解還很少,它們還是神秘的東西,很多問題仍需要進一步探討。目前天文學家已經間接地找到了黑洞,但白洞、蟲洞並未真正發現,還只是一個經常出現在科幻作品中的理論名詞。

蟲洞示意

旋轉的或帶有電荷的黑洞內部連接一個相應的白洞,你可以跳進黑洞而從白洞中跳出來。這樣的黑洞和白洞的組合叫做蟲洞。

最後,即使蟲洞存在並且是穩定的,穿過它們也是十分不愉快的。貫穿蟲洞的輻射(來自附近的恆星,宇宙的微波背景等等)將藍移到非常高的頻率。當你試著穿越蟲洞時,你將被這些X射線和伽瑪射線烤焦。蟲洞的出現,幾乎可以說是和黑洞同時的。

物理學家一直認為,蟲洞的引力過大,會毀滅所有進入它的東西,因此不可能用在宇宙旅行之上。但是,假設宇宙中有蟲洞這種物質存在,那麼就可以有一種說法:如果你於12:00站在蟲洞的一端(入口),那你就會於12:00從蟲洞的另一端(出口)出來。

黑洞和黑洞之間也可以通過蟲洞連接,當然,這種連接無論是如何的將強,它還是僅僅是一個連通的「宇宙監獄」。蟲洞(Wormhole),又稱愛因斯坦-羅森橋,是宇宙中可能存在的連接兩個不同時空的狹窄隧道。

自然產生機制

蟲洞的自然產生機制有兩種:

其一,是黑洞的強大引力能。

其二,是克爾黑洞的快速旋轉,其倫斯——梯林效應將黑洞周圍的能層中的時空撕開一些小口子。這些小口子在引力能和旋轉能的作用下被擊穿,成為一些十分小的蟲洞。這些蟲洞在黑洞引力能的作用下,可以確定它們的出口在那裡,但是現在還不可能完全完成,因為量子理論和相對論還沒有完全結合。

個人假設

1.蟲洞像河流,通過的物體像船,船順河而下。

2.蟲洞體像一個圓柱形磁鐵,強力的類磁力線在入口處將通過的物體分解,以波的形式在柱心管道運行,在出口處還原。通過的物體類似一個障礙,造成波的某一部分形變,然後這個形變推移到出口。

可能還涉及到橫波、縱波,波的反射、折射、衍射,物質的不均勻、空間的不規則,如同水中氣泡般的宇宙空洞。

3.蟲洞像一個圓柱形隧道,通過時間扭曲,把物體吸入裡面,進行太空旅行。

4.可以這麼說,如果在一張紙的兩邊有兩個點,將紙疊起來,相當於將空間與時間重疊,用筆穿過兩個點所形成的洞就相當於蟲洞,蟲洞可以使時間縮短,但現實卻會經歷很長時間。

想像中的蟲洞

蟲洞的出現,幾乎可以說是和黑洞同時的。

蟲洞在史瓦西解中第一次出現,是當物理學家們想到了白洞的時候。他們通過一個愛因斯坦的思想實驗,發現時空可以不是平坦的,而是彎曲的。

我們先來看一個蟲洞的經典作,將物質在黑洞的奇點處被完全瓦解為基本粒子,然後通過這個蟲洞(即愛因斯坦—羅森橋)被傳送到這個白洞的所在,並且被輻射出去。

當然,前面說的僅僅是蟲洞作為一個黑洞和白洞之間傳送物質的道路,但是蟲洞的作用遠不只如此。

黑洞和黑洞之間也可以通過蟲洞連接,當然,這種連接無論是如何的將強它還是僅僅是一個連通的「宇宙監獄」,

蟲洞不僅可以作為一個連接洞的工具,它還在宇宙的正常時空中出現,成為一個突然出現在宇宙中的超空間管道,

蟲洞沒有視界,因而我們可以安全地通過蟲洞,而不被巨大的引力所毀。

量子糾纏

將兩個黑洞糾纏在一起,然後再將它們分離,就可製成一個蟲洞連結在它們之間(基本而言,一條捷徑)。類似地從弦理論來檢視,糾纏兩個夸克也會有同樣的作用。

這些理論結果為一些新理論提供支持。這些新理論表明,引力與它的物理性質不是基礎的,而是來自於量子糾纏。雖然量子力學正確地描述在微觀層次的相互作用,它尚未能夠解釋引力。量子引力理論應該能夠演示出古典引力不是基礎的,就如同阿爾伯特·愛因斯坦所提議,而是從更基礎的量子現象產生

施溫格效應(Schwinger effect)從真空生成的糾纏粒子對,處於電場的作用下,可以被捕獲,不讓它們湮滅回真空。這些被捕獲的粒子相互糾纏,可以映射到四維空間(一種時空的表現)。與之不同,物理學者認為,引力存在於第五維,按照愛因斯坦的定律,將時空彎曲與變形。

根據全息原理(holographic principle),所有在第五維的事件可以變換為在其它四維的事件,因此,在糾纏粒子被生成的同時,蟲洞也被生成。更基礎地,這論述建議,引力與它彎曲時空的能力來自於量子糾纏。


有的

家裡種的樹葉子上好幾個

文科生的手動滑稽


(思索)。。。。。。。難道最開始蟲洞是為了解釋量子躍遷?


理論上存在,實驗中沒有檢驗。

如果er=epr 為真, 那麼糾纏等於蟲洞, 不需要維持。

可穿越蟲洞需要帶負質量的物質維持


現在的人們總喜歡把蟲洞比喻成2張紙重疊用筆穿過而成的洞,然後再用管子連起來的那種。。。那是2維,3維不可能是2個洞加一個管子的形狀,3維的蟲洞勢必是個球型,星際穿越裡面的解釋都比這個摺疊紙靠譜。


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