新研究:虫洞稳定性或是穿越时空可行捷径

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【大纪元2021年12月01日讯】(大纪元记者笛睿编译报导)虫洞是科学家设想宇宙中存在的一种连接遥远时空两地的捷径,比如说从虫洞的一端进去,从另一端出来的时候已经抵达位遥远宇宙区域的另一个星系。

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现在的技术既没有能力探测到这种天体结构,也没能力在地球上建造模拟的环境。但是对于未知的、假设存在的事物,现代研究的典型方法是先用现有的各种理论进行计算。如果理论计算能够证明其存在的可能性,这就是里程碑式的一步。

虫洞这个令人着迷的假设来说,遗憾的是,目前大部分计算都显示即使它能够存在,刚产生就会坍塌,无法支持任何物体在其中完成“旅行”的过程。用科学家的说法,这种结构是极度“不稳定”的。

但是10月9日发表在预印网arXiv上的一份研究获得一些进展,法国里昂高等师范学校(École Normale Supérieure de Lyon)的物理学家柯伊兰(Pascal Koiran)从一种计算方法中证明虫洞可以足够“稳定”,让物体从中间通过抵达另一端。

美国天文物理学家萨特(Paul Sutter)11月15日发表在Live Science的文章解释了这份研究。萨特说,柯伊兰通过黑洞的爱丁顿-芬克斯坦度规(Eddington–Finkelstein metric),发现虫洞可以具有稳定性。

什么是黑洞的度规?萨特说,就是科学家用于描述同一个概念的不同的方法。他说:“想象一下你要去祖母家吃感恩节大餐,你要知道怎么去的路线。这可以是街道路线图、卫星坐标,还可以是画在餐巾纸上的地标草图。每一种方法都是一个度规,不管你怎么描述,你都能抵达祖母家吃到大餐。”

类似的,物理学家用不同的度规描述神秘的黑洞。最流行的至少有两种,一种叫史瓦西度规(Schwarzschild metric),这是早期用以发现黑洞所使用的方法。但是科学家发现,任何物体抵达黑洞的边缘——事件视界(event horizon)的时候,这套数学方法就失效了。萨特的解释是,此时“这套度规完全无法分辨时空的不同位置”。

另一种流行的描述方法就是上面提到的爱丁顿-芬克斯坦度规。萨特说,这种度规能够继续追踪跨过事件视界的物体:物体掉进黑洞后再也不见了。这怎么与虫洞联系起来?萨特说这份研究用到了“黑洞”和“白洞”的概念。

黑洞和白洞

萨特说,爱因斯特和纳森·罗森(Nathan Rosen)最早提出黑洞存在其镜像版本——白洞,并提出两者之间可以通过虫洞连接。所以,虫洞的概念最早也被称为“爱因斯坦-罗森桥”(Einstein-Rosen bridge)。简单地理解,黑洞不允许任何物体逃逸,白洞不允许任何物体掉进去。当时的理论提出,只要把两者的“奇点”(黑洞的中心点,理论上这是一个体积无限小、密度无限大、引力无限大的“点”)连起来,就造出了连接时空的隧道。

可是,爱因斯坦和罗森用的是史瓦西度规描述黑洞。结果他们发现,按照相对论,白洞自身都不稳定(甚至可能不存在),即使形成了虫洞,虫洞内极端的引力在它形成的瞬间就能够把虫洞拉断。所以科学家说虫洞“不稳定”。

这份新研究使用了爱丁顿-芬克斯坦度规。柯伊兰说,他能够从一个粒子跨过事件视界开始,一路追踪它进入虫洞隧道,再从另一端出来的整个过程,而且这个过程在有限的时间内完成。

这份研究是否足以证明虫洞可以稳定存在?萨特认为事情还不这么简单。他认为这份研究只解决了引力方面的问题,虫洞还会受到其它作用力的干扰,比如热动力作用。从热动力的角度看,现有的理论仍然难以证明白洞的稳定性,也认为建成的虫洞会被极高的能量密度压垮。

萨特的看法是,这份研究至少说明,虫洞存在的可能性比以前理论认为的可能性大了一些,至少不会被引力摧毁。

这份研究已被安排发表在下一期的《国际现代物理学杂志D刊》(International Journal of Modern Physics D)。◇#

责任编辑:叶紫微

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