会兑现时间和空间旅行吗,那多少个宇宙里的奇

日期:2020-03-22编辑作者:亚洲城ca88

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我很惊讶地发现,百度贴吧里我以前写的帖子居然都被删掉了。
  似乎是因为长时间不用,然后被盗号(不是有几次国内网站密码泄露么?看来是中招了),导致很长一段时间里我的号成了广告集散地,所以就被整个清除掉了。
  算了,反正自己写的东西怎么都能重新写出来的,小事。

虫洞效应到底是什么?虫洞是如何产生?虫洞都有些什么性质?虫洞的存在,依赖于一种奇异的性质和物质,而这种奇异的性质,就是负能量。在史瓦西发现了史瓦西黑洞以后,理论物理学家们对爱因斯坦常方程的史瓦西解进行了几乎半个世纪的探索。因此51区小编在这里只简单介绍一下虫洞的性质,而对于一些相关的理论以及这些理论的描述,这里先不涉及。

爱因斯坦,不用多说,古往今来最伟大的物理学家之一,是他将物理带到了一个崭新的高度!那么对于他的理论,很多人都是半知半解的,今天在这里我想特别介绍一下非常神秘的爱因斯坦—罗森桥,我会尽量用通俗易懂的语言来给大家描述。


虫洞效应介绍

一、什么是“爱因斯坦罗森桥”?

最近有部电影很火,就是刚上映没多久的《星际穿越(Interstellar)》。
  而,接着这部片子,黑洞与虫洞这些已经被科幻电影玩腻的概念又通过极其抓人眼球的视觉效果重新回到了大众的眼前——话说,据说为了拍这部片子制片方特地找来了广义相对论大牛吉普·索恩来做模拟的指导,而后者似乎听说还靠着这个计算直接发表了一篇论文。。。附带一说,这部片子的几乎所有和物理相关的内容都可以在索恩很久很久以前的科普大作《黑洞与时间弯曲》里找到,所以我个人觉得你就是说这部电影是索恩那本科普的电影版,大概也没差吧。。。


介绍这个之前我们不得不先来了解一下黑洞。

于是,突然想翻一下自己以前写的和黑洞相关的帖子们,结果凄凄然地发现已经被齐刷刷砍头了,呜呼哀哉。。。

虫洞不仅可以作为一个连接洞的工具,它还在宇宙的正常时空中出现,成为一个突然出现在宇宙中的超空间管道。虫洞没有视界,它有的仅仅是一个和外界的分解面。另外有同名电影《虫洞效应》。

前段时间我们刚刚拍摄了黑洞的照片。

PS:以下的几乎所有内容你大概都可以在索恩的《黑洞与时间弯曲》里找到,真的。

虫洞是如何产生的呢?

当大质量恒星演化末期由于自身的聚变产生的粒子热运动斥力不足以对抗自身重力的情况下,发生收缩、塌陷,产生超新星爆炸,收缩成一个体积很小的中子态星体,由于自身强大的万有引力,中子间的排斥力也无法阻挡从而被持续挤压碾碎,最终形成一个密度高到一个难以想象的点——奇点!由于强大的引力,事件视界以内连光都不能逃逸,这就形成了一个无法直接观察的区域—黑洞!



这里说明一下,不是所有的恒星末期都会变成黑洞,这是由自身引力大小决定的,有些星体可能引力不足以抗衡到碾压斥力而影响它的最终形态。通过计算我们可以得知小质量恒星演化过程为:演化末期——膨胀为红巨星——白矮星——黑矮星。中质量恒星演化过程为:演化末期——膨胀的红巨星或红超巨星——超新星爆炸——中子态星体。其典型直径不超过30公里。大质量恒星,大中子态星还会继续坍塌继而形成黑洞。总而言之,形成黑洞的决定性因素是看星体能否坍缩到史瓦西半径以内。

一,“黑洞”的由来

在深入了解什么是黑洞以前,我们先来八卦一下“黑洞”这个词语和这个概念的由来。

黑洞这个词的最早提出者,就是上世纪著名的物理学家惠勒——他和另一位同时代一样非常著名的物理学家、美国曼哈顿计划的主要倡导者之一、“原子弹之父”奥本海默之间相爱相杀啊不对是相互竞争的故事很有意思,比如在艾森豪威尔对左倾的奥本海默安全听证会上惠勒的发言是“略微”不利于奥本海默的。
  在惠勒之前,理论物理学家们已经在纸与计算器上发现了黑洞这个奇怪的东西,但当时对此的命名并没有统一,比如有叫它“冻星”的,有叫它“塌缩星”的。而惠勒在67年一次NASA会议上灵机一动,称它为“黑洞”。
  为什么是叫他“黑洞”呢?索恩本身不怀好意地认为“这位老人不可能不知道这个词的猥琐含义”,而也正因为这个猥琐含义,法国人在相当一段时间里都拒绝物理论文中出现“黑洞”这个词——这样的现象在金兹堡关于经典引力理论(广义相对论也是经典范畴的引力理论,经典范畴之外或者说之上的量子范畴)最重要的定理之一“黑洞无毛”定理上也重现了。
  至于说为什么惠勒要提出“黑洞”以及金兹堡要提出“黑洞无毛”,这个……呃……理科宅的恶趣味吧…………(其实物理学家们一点都不宅,比如费曼经常去酒吧敲鼓各种High来找物理灵感…………还有逸闻是关于他和脱衣舞女以及赌徒的…………)
  惠勒除了给广义相对论里的妖孽命了一个“黑洞”的名外,也为量子力学的哥本哈根诠释命名过——“大烟龙”,DnD里无论你怎么打击它都能轻易Miss掉的怪物龙,用来讽刺哥本哈根诠释的“毫无破绽”。其它的命名还比如“量子泡沫”这些,就不说了。

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约翰·惠勒(黑洞命名者哟~)

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罗伯特·奥本海默(真的不是伏地魔!)

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老Boss爱因斯坦

“黑洞”这个名字的出现带有一点戏虐,但黑洞这个东西本身可一点都不戏虐。
  它的第一次出场其实比爱因斯坦都要早——这货的首次真正露面是牛顿引力时代拉普拉斯干的好事,他发现按照牛顿引力理论去计算会得到一种奇怪的天体,其逃逸速度为光速——这就是说,它表面射出的光最终也会落回到它自身而不可能射真正地“射出去”,所以在足够远的地方的人看起来,它就是黑的,没有光的,从而是一种“发出黑光的星星”,这就是最早的黑洞。
  当然,我们现在都知道(大概是“都”吧……),牛顿引力理论在高能与高速范围里是不适用的,有问题的,但不得不说的是,拉普拉斯的这项计算所得到的结果和广义相对论计算得到的结果相当契合——都是r_H = 2M(这里使用自然量纲,也就取G=c=h=1),只不过一个是根据逃逸速度公式GMm / r = mc^2 / 2,一个是根据广义相对论——所以可以看到所谓“错两次也就对了”这句话是无比正确的啊。。。(左面引力的部分错了一次,右面物体动能的部分又错了一次。。。)。

小贴士:所谓逃逸速度,就是说,你在一个星球的表面向上以逃逸速度扔一样东西,它最终可以“脱离该星体的引力圈”,在外面自由飞翔的那个最低速度。当然,这是比较浪漫的说法,精确的说法嘛,这不重要。。。
如果大家还有印象的话,以前高中的时候应该会提到过“第一宇宙速度”、“第二宇宙速度”和“第三宇宙速度”,其中第一宇宙速度是“环绕速度”,就是在不考虑空气阻力等因素的情况下,你在地球表面以第一宇宙速度扔一颗石子,它可以一直飞而不掉下来,从地球外来看就是绕着地球做圆周运动,所以叫“环绕速度”。第二宇宙速度就是地球表面的逃逸速度,而第三宇宙速度是地球轨道位置上的太阳系的逃逸速度。脑洞大开的还可以算太阳运行轨道位置上的银河系的逃逸速度,虽然这个基本就没啥意义了。。。

拉普拉斯黑洞是有据可查的非脑洞物理对象(当然并不是客观实体)中最早的黑洞(不考虑猥琐含义),而此后大家都认为这货纯扯淡,于是和当年的很多论文一样,被束之高阁无人问津。
  直到有一天,爱因斯坦发明了广义相对论,史瓦西算出来了第一个精确解,然后大家一开,嘿,中间有个黑洞哎,这货这才被重新从故纸堆里翻阅了出来。

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这位则是酱油男,皮埃尔·拉普拉斯侯爵,是侯爵哦!

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现代黑洞的理论发现者,卡尔·史瓦西,打仗的时候算出来的洞洞


其一,是黑洞的强大引力能;

黑洞的发现证明爱因斯坦广义相对论在极端条件下仍然成立。另外,黑洞的引力透镜效应说明了黑洞周围的强引力场引起时空强烈弯曲。

二,黑洞的由来

要说黑洞的由来,就不得不说广义相对论的由来。
  但这是一个很复杂的问题,主要是其中涉及到的东西大多很抽象,距离日常生活非常遥远,所以大家要靠脑子想象恐怕有难度。
  所以,这里就只能粗略地来说一下。

相对论的由来,是由于人们终于发展出了一套完备而精妙的电磁理论。
  麦克斯韦(不是那包咖啡)总结了前人安倍、高斯、库仑、法拉第等等高人的理论与实验成果,发现了石破惊天的麦克斯韦方程组,将电和磁的现象完全统一在了四条方程中。

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这就是麦克斯韦方程组,左面是微分形式,右面是积分形式

如果你觉得上面的方程很美的话,那恭喜你很有数学直觉。
你是不是也觉得微分形式比积分形式更漂亮?
但这还不是麦克斯韦方程组最漂亮的形式,最漂亮的是微分几何中的外微分形式,就一句话解决战斗:
d * F = J
有没有一种别人废话了半天他一句话点破主题的舒坦感?这就是数学的漂亮~~

有了麦克斯韦方程组,人们第一次感受到了“统一”带来的震撼——原来本来认为很不一样的电现象和磁现象居然是统一在一起的。更离奇的是,光原来就是电磁场——当时的准确说法大致是这样的:“光波和电磁波从数学形式和物理性质上来说,似乎无法区分”。
  于是,现在问题就来了——挖掘机技术到底哪家强?啊,不对,应该是光速到底是相对谁来说是光速?

这个问题的由来,是这样的——我们都知道,如果你和我相对运动,那么在你看来你是静止的而我是运动的,而在我看来我是静止的而你是运动的。如果这个时候有一枚超人从身边飞过,那么从你测量得到的超人的速度和从我测量得到的超人的速度是不一样的,不单单是方向不一样,就是速度大小也基本上是不一样的。
  所以,你公式计算得到的光速,到底是相对谁来说的?

宗教人士跳出来了——上帝说有光,于是就有光,所以这个光速是相对上帝来说的!
  嗯,唔,啊,大概吧……

为了解决这个问题,且暂时不考虑上帝老人家的个人癖好(所谓尘归尘,土归土,上帝的归上帝,凯撒的归凯撒,也就是说物理的事上帝你别来插手),物理学家们就开始绞尽脑汁了。
  而物理学家们解决上帝问题的武器一般就两样——一个是笔杆子,一个是扳手。。。分别就是理论推演和实验验证。
  这里相关的实验很多,比如各种光行差实验,索莫菲水流实验,迈克尔逊-莫雷实验,等等——这里最后一个实验最有名。
  这些实验的结果都告诉我们这么一件事——无论从谁来看,光的速度都是光速,那个理论上算出来的常数。
  这就很奇怪了,莫非真的是举头三尺有神灵,就和史蒂芬周说的一样?

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这是这个问题的一个解…………

中间跳过若干辩论,直接进入最后结果,那就是有一位英雄站了出来,从理论上结束了这场战斗,他就是——

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荷兰物理学家亨德里克·洛伦兹

居然不是老Boss爱因斯坦登场,真不幸福!

洛仑兹事实上比爱因斯坦更早提出这个解决方案,所以后来狭义相对论中的各种变换都被叫做“洛仑兹变换”而不是“爱因斯坦变换”。
  但,洛仑兹和爱因斯坦最大的不同,则是洛仑兹和他的导师著名的彭加莱一致认为这个变换并不表示时间和空间就是统一的,物体运动的时候可以时间和空间一起变换,于是在此后的很长一段时间里,洛仑兹都认为爱因斯坦是异端邪说,牛顿平直时空才是皇道正统,并试图利用时间和空间分立的平直时空观点重新解释他发现的洛仑兹变换,并毫无意外地以失败告终。

不过我们先不要草率地认为他就真的彻底错了。现在不少研究量子场论的高手也都认为时间和空间的统一可能是假象哦。

爱因斯坦发现洛仑兹变换(他当然不可能叫它为洛仑兹变换了)比洛仑兹晚(事实上,爱因斯坦发现爱因斯坦场方程也比别人晚。。。而比他早的是最后一位数学通才大师希尔伯特,这次输得不冤,虽然有传闻希尔伯特曾说过哥廷根随便找个小孩的微分几何都比爱因斯坦牛……),但爱因斯坦对这个东西的认识却比洛仑兹精准——所以说自然科学发展史上并不是一个定理或者结论的发现者或者发明者就对这个东西具有更正确的理解与认识的,物理上的另一个著名案例就是“薛定谔方程”,薛定谔的理解大概可以说是二流的,所以哥本哈根论战里没他什么事,主角是波尔与爱因斯坦。
  洛仑兹变换还解决了另一个问题,那就是在牛顿时空观下我们要写出坐标变换下的麦克斯韦方程,会发现在上帝看来很和谐美好(就是上面那几组方程)在一个和上帝相对运动的人看来就会变得丑陋不堪。而如果你使用洛仑兹变换,麦克斯韦方程组就变得一成不变兼一尘不染了,这就太美好了。
  于是,狭义相对论诞生了。

站在后知后觉的角度来说,狭义相对论其实就两句话——
  1. 时空是一个整体,四维的;
  2. 物体在时空这个整体中运动,我们所看到的三维运动是它与我们在时空上运动矢量不平行的结果。
  这么一来,本来让大家很头疼的物理问题瞬间变成了四维时空平凡的几何问题。而狭义相对论中各种所谓的佯谬,其实都是错误地将三维空间的几何结论运用到四维时空中的结果。
  老Boss的一位老师闵科夫斯基为这种时空取了一个好听的名字——闵科夫斯基时空……

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德国数学家赫尔曼·闵可夫斯基

关于狭义相对论,最著名的,除了那些苍蝇一般的佯谬,就是质能关系了——

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这条方程据说是霍金写科普唯一使用的数学公式,可见其威力之巨大

  不谈论数学细节,这货后来被无数次的实验所验证,大概经历的考验仅次于量子电动力学(QED,号称是被最严格地验证过的现代物理理论,而且还活了下来)。
  顺便一提:05年爱因斯坦发表《论动体的电动力学》即狭义相对论,同年还发表了量子论并提出光量子理论以解释光电效应,以及另外两篇论文,所以这年被称为爱因斯坦奇迹年。

狭义相对论着实让大家爱不释手,因为,麦克斯韦理论统一了电磁和光,而狭义相对论则统一了时间和空间(洛仑兹变换),物质与能量(质能关系),于是大家一下子就跃进到了大统一时代。

当然,必须说明的是,在爱因斯坦之前就已经有人在研究如何用一条理论就完整地描述牛顿引力理论和麦克斯韦电磁理论了,所以说研究统一理论TOE(Theory Of Everything),爱因斯坦倒也不是第一个。。。不过他是现代物理的第一个。

有了新的时空观,接着顺理成章的就是重写物理理论了。
  别的都很顺手,大家一片欢欣鼓舞,但当遇到牛大大的时候,问题就突然严峻了——
  简单粗暴地将牛顿引力理论的数学形式F = GMm / r^2写成狭义相对论的形式居然就不对了。。。
  为了解决这个问题,大家做了各种城市和努力,最后爱大大学习达摩面壁九年,终于学会了独孤九剑号令群雄,倚天不出谁与争锋……呃,串词了……
  事实上,05年爱因斯坦提出狭义相对论,其后就开始考虑引力的相对论,并最终到15年提出广义相对论解决这个问题,这里的时间跨度也已经足够达摩老祖面壁的了——达摩面壁九年而悟道。
  当然了,这期间正好是一战,牛逼的老Boss爱因斯坦参与发起了反战团体“新祖国同盟”,并被当局判定为非法组织……

八卦就先不说了,简单说一下广义相对论和狭义相对论的关系。

狭义相对论的基本时空观,就是时空整体是被闵科夫斯基几何所描述的,说白了就是时间和空间是统一的。
  这个时空观相对于牛顿的时间和空间是隔离的时空观已经有了长足的飞跃,但爱因斯坦却发现这个飞跃在引力问题上,飞得还不够彻底。
  通过一系列的思辨——对,是思辨,而不是实验,这是爱因斯坦的一大特色,不通过实验通过脑洞来发现物理,这也可以说是脑洞直通太平洋了……——爱因斯坦发现,要完美地解释牛顿的引力理论在相对论时空观下的问题,解决方案就是再飞跃一次——这就是广义相对论的时空观。
  广义相对论认为,时空从每一个无限小的局部上来看,都是狭义相对论所描述的闵科夫斯基几何,但从一个有限的区域来看,则不是。
  闵科夫斯基时空是“刚性”的,所有地方都一样,你知道了一个点的x轴和t轴,到另一个点上那里的x轴和t轴依然如此,不会发生变化。但是广义相对论不是,它是“柔性”的,即每个点上的坐标虽然看上去都和闵科夫斯基几何一样,但连在一起却完全不是那么回事,这里的x轴在那里可能同样的方向却变成了y轴。
  再形象一点说,就和那些常见的科普一样,引力是时空的弯曲,而时空在物质与能量的作用相,就会像橡皮泥一样随便弯曲——

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橡皮泥宇宙

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连时间也不放过

  而,连接两个不同点上的闵科夫斯基几何的,数学上叫做“联络”,物理上就叫做“引力”。
  爱因斯坦的这个牛逼概念后来在他的统一场论中继续发扬光大,并郁郁无疾而终……但后人们比如杨政宁最终在规范场论中将这个概念发展了起来,得出了杨-米尔斯方程,并最终指引我们去探寻真正的TOE。至于到底是超弦(M理论)还是圈量子,这个我们就不说了。。。

这里对这个常见的科普描述要说两点。
  首先,引力当然不是在我们所处的“时空”之“下”有一个什么力在拉着时空中的物体从而让时空发生形变。这样的图景虽然很直观,很有说服力,但和真实所发生的事情基本没关系。。。这只是科普作家为了写的科普大众可以尽可能理解而做的比喻手法。
  其次,倘若真的有上述这种高维时空里向下拉的“拉力”,那么在这种情况下这种拉力在我们的时空中所表现出的“引力”“恰好”就是牛顿引力的结果。
  当然,作为补充,现代膜宇宙理论倒真的可以想象成上述这个样子。。。

爱因斯坦这九年十年所作的主要工作,就是将上述脑洞里的想象,用数学的语言来描述。为此,他自学了微分几何(当时叫黎曼几何),而后在一次拜访了希尔伯特后,没多久希尔伯特就写出了场方程。。。而过了几天后爱因斯坦才写出场方程,而且第一次还写错了。。。当然,希尔伯特是数学家,这本来就是他的工作,而关于为什么要用这个数学公式而不是别的,这是物理问题,解决者是爱因斯坦。所以,现在的场方程一般都叫爱因斯坦场方程,只有某些场合会为了纪念希尔伯特而称呼她为“爱因斯坦-希尔伯特方程”。

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这就是场方程,不过没有著名的“宇宙学项”

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这是更加完整的场方程

  方程的左面是时空的曲率(R就是纯数学的Ricci曲率张量,而G是具有物理意义的爱因斯坦张量,可见完全是曲率构成的),右面是物质能量动量张量(k就是引力常数),于是整个方程的含义就是——时空中能量与动量的分布决定了时空是如何弯曲的。
  这就是将狭义相对论飞跃的一小步向外一推的结果——这回是人类的一大步。

狭义相对论带来了原子能时代(主要就是告诉我们原子能从哪来),而广义相对论则开启了太空时代——我们GPS卫星上的时间调整就考虑了相对论效应,还有天文上的各种引力透镜,这对未来的星际航行很有用。
  它的第一次实用就是水星的近日点进动,这是牛顿引力理论一直无法解释的问题,现在广义相对论一算,日食观测一做,爱因斯坦老Boss的地位就无可撼动地建立了起来,爱丁顿无话可说。

关于爱因斯坦与爱丁顿在广义相对论这个专题上的各种相爱相杀,第十任神秘博士曾经出演过电影来演绎,当然,那里他出演的是爱丁顿。。。
后来爱丁顿还反对爱因斯坦广义相对论的自然结论,黑洞,不过这次是和爱因斯坦站在一起。

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正在写场方程的爱因斯坦

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英国著名天体物理学家亚瑟·爱丁顿爵士

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讲述两爱相爱相杀故事的《爱因斯坦与爱丁顿》……

一句话来说,引力就是描述时空是如何弯曲的语言。
  再说得数学一点,引力就是时空弯曲的曲率。
  而,既然有弯曲,那么总会遇到这么一个问题——如果弯过头戳了个洞,怎么办?

其二,是克尔黑洞的快速旋转,其伦斯——梯林效应将黑洞周围的能层中的时空撕开一些小口子。这些小口子在引力能和旋转能的作用下被击穿,成为一些十分小的虫洞。这些虫洞在黑洞引力能的作用下,可以确定它们的出口在那里,但是现在还不可能完全完成,因为量子理论和相对论还没有完全结合。

黑洞是已经被我们发现了的,下面我们再来看一下另一个神秘天体——白洞。

三,黑洞,的,由来

爱因斯坦发现了广义相对论,写下了爱因斯坦场方程,但他自己很怀疑自己到底能否解出这个方程的解(严格说来是解析解)。
  但这个问题很快(16年)就被前线正在打仗的大叔史瓦西在战壕里搞定了……

当然,要说明的是,史瓦西在去参加一战德军以前是波茨坦天体物理台台长(09年),曾经还解出过三体问题的一个周期解,量子理论也参与了早期奠基,是一个牛人,不是随随便便的马路大叔。

这个解让爱因斯坦喜出望外高兴坏了,虽然只是球对称静态解(也就是整个宇宙了只有这么一个球,而且永远不发生变化),但怎么说也是一个解啊。这个时空后来被称为史瓦西时空,和闵科夫斯基时空交相辉映。
  但没多久就发现了问题——这货存在一个区域,一旦真实形式比这个区域小,落入了这个区域内,那么时空的弯曲程度就会戳出一个洞来——这,就是后来惠勒冠之以“黑洞”之名的奇葩。
  大家先是很开心地认为恒星这么大,肯定比这个奇怪的区域大,所以没事。
  可后来惠勒与奥本海默将描述恒星物质形态的物理加了进来,先后得到了白矮星(钱德拉塞克为主力军,得到了钱德拉塞克极限,惠勒与其学生计算机验证成立)与中子星(奥本海默与其学生奋发突前所得到,对应的是奥本海默极限),最后更是发现只要超过了奥本海默极限,按照当时的理解,恒星就不可挽回地成为了黑洞。
  于是,第一次反黑希望就这么破灭了。

这里补充一下,关于恒星的归宿,大致来说是这样的——
非常非常小的恒星,最后会陷入电磁力与引力的平衡,郁郁而终。这个极限是0.2太阳质量。
大一点的黑定,普通力无法抗拒,进入电子简并压与引力抗拒的状态——此时原子本身的轨道结构完全被打破,电子被挤压在原子核周围动弹不得,由量子力学的泡利不相容原理产生斥力。这个的质量上限就是钱德拉塞克极限,1.4太阳质量。当然,这个状态之前,暮年的恒星会发生新星爆发,抛射掉大约95%的质量,只留下最后一个核,钱德拉塞克极限说的就是这个核。这个最后的产物就是白矮星
如果超过了钱德拉塞克极限,那恒星就会形成中子星——电子被引力挤进了原子核,与质子发生弱相互作用,融合为中子,而中子与中子之间犹豫泡利不相容原理,形成中子间斥力。可以说,中子星内部是一片无差别的中子海洋,大致上。这个状态之前的恒星爆发就是超新星爆发,抛射掉接近98%的质量。而且由于角动量守恒,中子简并的中子星体积又非常非常小,所以中子星一般带有极高的自转——这方面大家可以想象花样滑冰的时候,选手通过将双手收拢来提高自身的转速,这基本就是中子星的过程,嗯嗯。而极高自转的中子星现在被认为就是宇宙中的脉冲星,而超新星爆发的过程有在一定程度上和类星体有关联,当然类星体更大的关联是黑洞。中子星的质量极限就是奥本海默极限,大约为2到3个太阳质量。
中子星之上,当年的看法就是黑洞了,但现在则认为还有夸克星及胶子星等,这些知识随着对亚原子物理的不断研究深入而被刷新,特别是以前认为强子只能由三个夸克构成,但现在却认为还可能存在四夸克甚至五夸克的重强子,胶子也可能构成胶子球,所以这方面的知识已经发展了很多了。
无论如何,突破了一定的质量极限后,无论是什么东西的斥力都无法与引力抗衡,黑洞的形成无可避免。

面对第一次反黑围剿的失败,爱丁顿等人毫不气馁,提出了又一种理论——那个时代无论是惠勒还是奥本海默,计算恒星演化的重要假设前提,就是恒星中的物质流动满足一定的约束条件。其中一条就是球对称。
  于是,认为宇宙中不会有怪物的两爱就认为,物质的非球对称运动会破坏最终黑洞的形成。
  当然,这个反驳最后也被证伪了。

随着更多爱因斯坦场方程精确解的出现,越来越多的黑洞被发现,比如带有旋转的黑洞,带有电荷的黑洞,以及又有黑洞又有电荷的黑洞,最后就是金兹堡大笔一挥,告诉你黑洞只能有质量、角动量与电荷,别的都没有,这就是“黑洞无毛”定理。

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白虎定理发明者,苏联物理学家维塔利·拉扎列维奇·金兹堡

  再接着,关于黑洞的结构的发现越来越多,奇点开始受人关注,这个是奇葩中的奇葩。俄罗斯物理学家为了证明奇点不会存在,采用了和爱丁顿相同的办法,结果被未来的经典相对论终结者彭罗斯用拓扑的手法解决战斗。

虫洞的发现

白洞是物理学家们根据爱因斯坦广义相对论所预言的和黑洞性质相反的特殊天体,和黑洞一样,白洞也是一个强引力源。可以把周围的物质加速吸引到周围。另外一个和黑洞相反的,白洞对外界的斥力达到无穷大,即使是光笔直向白洞的奇点冲去,会被其弹回,所以它不可能进入白洞视界一步。黑洞主要是吸收物质和能量,白洞则表现为放出物质和能量。白洞理论主要可用来解释一些高能天体物理现象,比如科学家观察到的一些类星体爆发出的一些高能粒子流:X射线、宇宙线、射电爆发、射电双源等。被认为是白洞内射出的高速高密物质和被它吸引加速而来的物质发生碰撞而产生的。

四,黑洞的结构

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黑洞

  黑洞的结果,其实很简单:

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黑洞的结构

物理上对黑洞的定义其实很严格,这里就不说了。就大致而言,所谓黑洞就是这么一类宇宙区域,其存在一个闭合界面,任何物质一旦通过这个界面,就再也无法回到这个界面外。
  在数学上来说,这个界面内,你会发现过去认为是直径r轴的方向,现在成了时间t轴;而过去认为是时间t轴的方向,现在不知道是什么轴。这就是黑洞有趣的地方。
  在这种奇怪结构的中央(外部所看的空间部分的中央),则是一个奇点,或者奇异环——如果黑洞是转动的,那么就是一个环,否则就是一个点。
  这个点之所以被认为是奇葩中的奇葩,就是因为在这里时空这张膜被戳了一个洞——物理量在这里无法被合理描述。

如果说得多一点的话,我们可以说,上述所谓的一去不复返的界面(俘获面)很大程度上是由于坐标选择不当所造成的,因为,就和狭义相对论中物体的运动会改变坐标系一样,这里你选择不同的观测者就表示不同的坐标系,而不同坐标系看来,这个俘获面是不一样的,甚至于,从某些观测者看来,压根没有这种俘获面,比如朝着黑洞自由落体的观测者。
  所以,我们说,俘获面的奇异性并不是真正的奇异性。
  但,奇点与奇异环的奇异性却是不能通过坐标变换消除的,那里的确是曲率变得无穷大的地方,也就是时空这张膜被掰断戳破的地方。
  所以物理学家们一直且一致认为如果理论中出现奇点,那么这个理论就是有问题的。
  附带一说,宇宙学所使用的时空即便不考虑黑洞,我们也发现是有问题的,那就是存在宇宙大爆炸奇点。为了解决这个问题,圈量子宇宙学提出了各种模型,而经典的广义相对论宇宙学则有无限膨胀宇宙等等各种奇奇怪怪的模型。
  现代前沿物理,无论是圈量子还是超弦(M理论),都是试图通过将量子理论和广义相对论的融合来获得一个真正完备的量子引力理论,这个理论中,没有奇点,或者奇异环。

除了中央的奇异性,常见的黑洞结构还包括静界,能层,外视界和内视界。
  外视界就是前面所说的俘获面(不严格地来说),也就是物质一旦通过就不能离开,是一个单向通道,而内视界则是在外视界里面的一个性质相同的界面,只不过朝向相反。它包裹着里面的奇点或者奇异环。对于没有有电荷和自转的黑洞,内视界是收缩为一个点的,可以当作不存在。
  对于有自转的黑洞,会出现一个静界,在静界外的物体可以通过有限的推进力让自己在外界观测者看来是静止的,但一旦进入到静界内,这样的努力就不可能实现——你必须跟着黑洞一起转动,这是多么霸道的总裁啊!
  外视界和静界之间就是能层,彭罗斯曾经提出过一个“彭罗斯过程”,可以通过抛射物体从黑洞的能层中获取黑洞的能量,而且效率非常高,是未来外星文明的逆天科技之一,当然,现在人类还没有。
  在黑洞自转轴上往往会出现喷射流(上下两根),绵延可以好几光年,非常壮观。而在黑洞的赤道面上则有一个随着黑洞一起高速旋转的高温高压物质圆盘,这就是吸积盘,仿佛黑洞的车轱辘。由于黑洞强大的潮汐力,所有路过的星际物质都会被撕碎然后搅和在一起碾磨,从而吸积盘实际上是一部巨大的绞肉机,远超凡尔登,释放着巨大的能量。

黑洞的一大特性,就是具有很强的引力与潮汐力。
  引力的强大,体现为连光都无法离开,而潮汐力的强大,则体现为任何物体都会在黑洞附近被撕碎为基本粒子。

所谓潮汐力,就是一个不是无穷小的物体在朝着星体的两端所受到的引力差,且往往表现为拉力。于是极端强大的潮汐力就代表一个物体受到的拉力极强,从而被撕碎。

在加上黑洞一般都有不小的自转(这点和中子星一样),所以有一些现象是伴随黑洞而存在的,比如喷射流、吸积盘,以及类星体。

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壮观的喷射流

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硕大的吸积盘

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对邻居的大快朵颐

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绚丽的喷流与吸积盘想象图

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类星体艺术照

  上述种种都构成了黑洞不可一世的魔王形象,于是就有人自然而然地提出了一个问题:
  既然有吸收吞噬一切的黑洞,那么有没有排斥一切的白洞呢?
  这在理论上当然是可能的——将公式里的一个减号变成加号,引力就变成斥力了。但这个动作所代表的物理却是被认为不可能的——因为这就要求星体的质量为负,而我们普遍认为任何物体的质量都是正的。
  这个问题在引入量子效应后得到了一定程度的解决。
  霍金在黑洞热力学中提出,黑洞是有蒸发现象的,而这个蒸发就是对黑洞表面(也就是视界外缘)运用量子场论所得到的阶段性成果。

当然,这里必须要提出的是,最早提出黑洞热力学的是贝肯斯坦,霍金是强烈反对的,因为黑洞动力学类比热力学就代表着黑洞是有温度的,而有温度就是会辐射的,但黑洞是吸收一切的怪物怎么可能辐射呢?这是反直觉的。
而后某次临睡前的冥想让霍金突然倒戈了……于是现在的著名的黑洞的熵就被命名为“贝肯斯坦-霍金熵”,成了验证量子引力理论的一个常见指标。
这个故事告诉我们:别相信你的直觉,那是狗屎……

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以色列物理学家雅各布·贝肯斯坦

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大牛人斯蒂芬·霍金

  而且,我们发现了一个有趣的现象,那就是越小的黑洞,温度越高,从而蒸发速度越快,蒸发出去的流密度与动量也就越高。
  所以,在彭罗斯和霍金的辩论中,两位就多次提及——快蒸发完的黑洞和经典广义相对论中的白洞是“几乎无法分辨的”。
  在关于宇宙的终极命运的一些理论模型中,我们经常会遇到这样的场景——宇宙最后被各种黑洞所占据,因为万物最后都被黑洞所吞噬。而后这些黑洞相互吞并,形成一个巨大的黑洞,而这个巨大的黑洞实在没东西吃了,就慢慢蒸发,最后越来越小越来越小,最后一次猛烈的喷发,整个宇宙中除了基本粒子汤(喷射的产物)外什么都不剩。
  这也是某个版本的热寂。
  当然,另一个版本是那个最后的最终的唯一的超级黑洞最后形成了新的宇宙带来了新的大爆炸。。。

有了黑洞只有,人们自然也会研究进入黑洞后到底会遇到什么。
  传统的看法是黑洞内部就是前面所说的时间方向转弯的区域,而后是一个奇点。
  数学家彭罗斯踏入物理领域后,就对这个数学模型做了拓展,进入了克鲁斯卡时空。
  这种数学上的时空的特点是,存在“奇点对面”的世界。
  当然,这个世界你是无法到达的,因为所有触碰奇点的物理过程都会毁灭,所以你根本到不了这个理论上的“奇点对面”。
  但这个爱丽丝仙境却在旋转黑洞中冒了出来,变得可以到达了——虽然你还是出不了视界。而且,事实上,旋转黑洞的克鲁斯卡时空中存在无穷多个相互连接的世界,平行宇宙脑洞大开。

关于平行宇宙,下回有机会再开文继续说。

如果说克鲁斯卡是一种数学上的玩具,将坐标系修改后自然延拓出来了“多余”的内容,是一种关于坐标的数学游戏,那么爱因斯坦-罗森桥就是一种关于拓扑的数学游戏了。

大众最早知道“爱因斯坦-罗森桥”这个怪东西大概要归功于《雷神》第一部吧。。。当然,这货的另一个名字“虫洞”在科幻电影里则出现过很多次了,比如《环太平洋》里的海底虫洞,《星际之门》里的星际之门,等等。《复仇者联盟》第一部里宇宙魔方打开的也就是一个虫洞,看上去效果和《地狱男爵》里打开的东西差不多,它们会不会有什么联系涅?

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爱因斯坦-罗森桥

  所谓“爱因斯坦-罗森桥”,不严格的说,就是链接黑洞与白洞的桥梁——虽然这个概念刚提出的时候还没有人知道白洞到底是什么(那是经典引力理论的年代,量子理论还被认为和引力暂时无关)。这是一个很直观的联想——一个是所有东西只能进不能出,一个是所有东西只能出不能进,那么既然东西的总量(能量)是守恒的,那么总要有一个通道连接嘴巴和屁屁,不是么?于是就有了这根消化道——虫洞。(这么说似乎太不严肃了点。。。)
  而后,人们发现,两个黑洞之间也可以通过虫洞连接,而且,更关键的是,这个虫洞内的两点间距离可以非常短,远比虫洞外的距离要短。
  爱幻想的宅们于是就脑洞自动张开,形成虫洞,开始构思未来的人们通过虫洞建立交通网,星际之门闪亮登场。(这是乱入的)
  关于爱因斯坦-罗森桥,常见的解释图是这样的——

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右面是还没建立起连接的爱因斯坦-罗森桥,左面是已经建立起连接的桥

  从数学上来说,在一半的黑洞解(比如史瓦西时空)被真实建立起来之前,那个时候时空还没有被“戳出一个洞”来,它就开始和“异次元”中别的这类东西勾搭,而后随着恒星演化的进行,视界形成,于是这种连接就正式建立了起来,就构成了桥。
  桥的时空和史瓦西时空在视界外是一样的,但桥的时空没有视界内的部分,两个史瓦西时空在视界面上被“剪切-黏合”在了一起,就构成了一个桥——由于是对时空整体结构的一种动手术式的操作,所以这是一个拓扑过程而非几何过程(这又是一个数学概念坑)。
  脑洞打开的人于是就构思了如下这些奇妙的桥——

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一个时空的一部分和自己的另一部分连接起来的桥

  这个图最有名的地方在于,它似乎“告诉”我们,我们可以将时空“折叠”,从而原本很远的距离在折叠后就变得很近了。科幻作品里的“折叠引擎”和“空间跳跃”就是从这个地方获得的灵感。

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中间部分是一个时空和另一个时空相连的桥

  于是,结合上平行宇宙的理念(当时还没有太多的平行宇宙概念,主要是宇宙学上的。而现在大众流行文化里所说的平行宇宙则可以是很多种彼此没什么联系的不同东西),爱因斯坦-罗森桥突然就变得充满了诱惑力。

但,关于黑洞的神秘传说里爱因斯坦-罗森桥还不是最牛逼的,最牛逼的是“泡泡宇宙”,或者也可以说是“婴儿宇宙”。
  还是从黑洞的史瓦西解出发,我们再做另一种完全不同的剪切操作。
  桥告诉我们,时空的不同部分可以被拼接起来(理论上),于是就有人想:是否可以挖一块出去呢?
  于是,在黑洞视界形成的瞬间,有人认为视界内的时空实际上已经被从我们的时空了“剪”掉了,形成了一个封闭的自给自足的小宇宙,就和一个泡泡一样,游荡在整个时空的海洋里。
  人们开始开脑洞,认为我们可以进入这么一个泡泡宇宙,然后通过这个泡泡和别的宇宙的再结合而穿越到别的宇宙去。
  是不是很浪漫?很有一点老王《泡泡》的即视感。

一时间,桥,泡泡宇宙,子宇宙,等等概念井喷潮吹。这些概念最后严肃地活到现在而不仅仅是科幻小说家YY道具的,大概也就只有虫洞和时间机器了吧。。。

让我们回头来严肃一点看待虫洞这个东西。
  它是非常美妙的,而且穿越虫洞的景象也是非常神奇的。
  早年还在学校的时候为了写科幻小说我曾经写过一个小程序来模拟有黑洞时我们会看到什么样的星空,其中在视界附近的强大引力透镜效应会使得星空变得美不胜收,比如这样——

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可以看到下方的银河系在上方也有了投影

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这里你能找出有哪些源点和像点么?

  事实上,只要星光足够强,黑洞引力透镜效应下一个星体可以有多重像,比如右侧的星球在左侧可以有一个一级像,然后在左侧更靠近中央黑色区域(黑洞)的地方会有一个形变更厉害的二级像,依此类推还有三级四级等等。只不过就算是二级项,由于非常靠近黑洞视界,很容易和别的影像融合在一起,所以基本难以察觉。也因此,三级四级什么的也就是理论上说说了。
  而,穿过虫洞的情况则又有不同,我们可以看下面这段视频:模拟虫洞。
  顺便一说,摩根·弗里曼有过一个很精彩的科普片系列,就叫《穿越虫洞》。
  再顺便一说,这次帮忙负责穿越虫洞视觉特效计算的大牛就是著名理论物理学家索恩。他和霍金曾经还打过赌,关于天鹅x-1是否是黑洞的,霍金说不是,索恩说是,结果索恩赢了,战利品是一套《阁楼》(你问这货是什么?很有名的成人杂志哟~~~)。

那么,虫洞到底是否存在?如果存在的话是否又允许人类通过呢?
  这个问题的回答是非常物理的,我们简单一点来说的话,第一个问题是华裔数学家丘成桐论证结束的,而后者是被索恩和霍金一起解决的。

丘成桐曾经证明过,如果物理是满足正能量条件的(众多能量约束条件之一,而且也是大家看起来最合理的一个),那么虫洞就不可能存在——一起不存在的还有类时闭曲线,也就是时间机器。
  当然,先要说一下,现在的虫洞已经是脱离黑洞而存在的了,是一种纯粹的时空结构体,有属于自己的数学解。而虫洞和时间机器的关系,基本上来说,我们一般人所认为的虫洞就是连接空间上两点的桥梁,而时间机器是连接时间上两点的桥梁,但它们本质上都是广义相对论里的“虫洞”,只不过后者还牵扯到一些别的物理上的东西。
  要打开虫洞并维持虫洞的打开,我们需要一种提供张力的“奇异物质”,也就是“反引力物质”,具有负能量——从而是不可能存在的。而丘成桐所证明的就是:我们必须要有这种负能量才行,光有正能量不能维持虫洞的打开。
  而后,索恩和霍金则是证明了,任何电磁场的涨落在虫洞结构种都会引起能量的无限暴增从而摧毁虫洞,而物体要通过虫洞,这种涨落看来是不可避免的。(这个大家可以参考索恩的《黑洞与时间弯曲》的第十四章)
  当然,后来物理学家们还提供了更多更加严格适用于更普遍情况的证明,简单一句话就是:这货基本没戏。

当然,往好的方面想,克拉克定理第二条告诉我们:如果有人说一样东西很有可能不可能出现,那么他很可能是错的。
  所以,大家也不要灰心,说不定啥时候就发现其实是可能的,这在真正的量子引力理论出现的时候很有可能成真。

在经典科幻领域里,脑洞产物除了上面提到的空间跳跃空间折叠虫洞和时间机器,还有一类也很有吸引力,那就是翘曲引擎。
  它一样是广义相对论的产物,一群物理学家还专门特地研究过,发表过无数论文(你可以在Arxiv上搜Alcubierre Drive,WiKi上也有),而且,让广大国内科幻迷兴奋的是,这货在理论上“长”得和大刘《三体3》里的肥皂泡那个比喻所穿搭的飞船引擎非常相似,而且NASA的FTL(Faster Than Light,超光速)推进系统项目里专门研究过这货,论文无数。
  当然,要说的是,翘曲引擎(又名曲速引擎)的出现远比《三体》早,早很多很多,所以大家不要兴奋过头认为是大刘刺激了NASA。。。
  这货的原理其实很简单,那就是将飞船包裹在一个特殊的时空结构中,这个时空结构在飞船的前端产生引力,后端产生斥力,于是整个时空结构就如一个泡泡一样在时空中行走。(是不是和《三体》的泡泡引擎很像?不过泡泡引擎的张力什么的说法是完全不着调的……)
  而且,相对论中所说的“光速极限”的本质,是说任何物质与能量的运行与传播速度不能超过它所在位置上的时空极限速度,也就是当地的光速。但翘曲引擎牛逼就牛逼在,它可以看作是一个时空结构在走,而时空结构本身就造成了内部的“本地光速”可以比其外的“外地光速”快很多,所以这就是Bug一样的存在啊。。。
  当然了,泼冷水的是,这一结构目前需要后方有斥力来平衡整个过结构的稳定,而后方的斥力需要负能量物质……于是我顿时感觉整个世界充盈着满满的恶意……

宇宙中当然还有一些别的理论上的奇葩的东西,比如也很出名的“宇宙弦”,它的周围就可以有很奇妙的现象,有人甚至认为在宇宙弦的周围以特定的方式运动可以穿越时空。。。。而这货本身是宇宙早期活动所遗留下来的,现代宇宙已经基本不可能自然生成这种神物了(大概吧),而宇宙早期那是量子引力的领域。

事实上,经典的引力理论(广义相对论依然是经典理论)里只要正能量条件存在,那么可以说所有的FTL项目或者时空穿越项目都是没戏的。
  那么,在量子理论里情况如何呢?

量子理论里,我们目前当然还没有量子引力,所以一切都还只是说说——不过在我离开学校的时候圈量子和M理论的一些最前沿成果已经很振奋人心了,虽然都还只停留在纸上得来终觉浅的层次。
  不过,我们可以知道的是,正能量条件在量子理论里至少并不总是被严格遵守的,比如在数学道具的费曼图中,虽然每个节点上能量守恒所以不可能从正到负,但在连接节点的线上倒是可以有负能量的存在,只要保证总和是正的就好。
  另一方面,卡西米尔效应也就是所谓的零点能是一种负能量的做功现象——有人甚至认为宇宙学上的宇宙学常数(这货导致了爱因斯坦一生最大的错误,两次)就是时空整体的一个卡西米尔效应,而反德西特空间就要求这个常数是负数——当然了,这个思路最后导致了著名的“史上最大理论与实验误差”,都快有100个数量级的误差,也算呵呵了。

当然,这个误差是曾经。现代随着高维物理模型尤其是大尺度额外维和膜宇宙的出现,在很多模型上卡西米儿效应的确就可以得到宇宙学常数,不再是这么离谱的误差了。
所以,这个故事告诉我们,过去的错误未必就一直是错误,在未来可能就是真理。

量子理论的引入对经典对物理理论结果是会带来很多冲击的。
  比如说金玆堡的黑洞无毛定理,认为黑洞只能有三根毛(所以应该说是“黑洞无杂毛”。。。):质量,电荷,自转。但是随着量子电动力学和量子色动力学(不是宅男色迷迷动力学!)的发展,我们现在发现黑洞还可以有别的毛,比如强子数等,毛的数量有所增加。
  而在微观和高能领域,量子理论的许多结论都是看上去反直觉的。所以,未来说不定我们就会从量子引力理论中找到如何构造虫洞和翘曲引擎的正确方法,这也说不定哟~



简单来说,白洞可以说是时间呈现反转的黑洞,具有和“黑”洞完全相反的性质,所以叫做“白”洞。由于白洞也是一个强引力源,在这里时空曲率在这里呈现负无穷大!

四,慵懒的结尾

基本上,关于宇宙中的常见奇葩们的介绍就到此为止了。

大部分内容都基于早年读理论物理的时候看的一些材料,不过毕竟过了这么久,说不定一些东西记错了,大家呵呵笑过就是了,呵呵~~


如果你觉得这篇东西写得还行,愿意打赏我一口咖啡,请戳打赏页~~
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几乎可以说是和黑洞同时的。在史瓦西发现了史瓦西黑洞以后,理论物理学家们对爱因斯坦常方程的史瓦西解进行了几乎半个世纪的探索。包括上面说过的克尔解、雷斯勒——诺斯特朗姆解以及后来的纽曼解,都是围绕史瓦西的解研究出来的成果。我在这里将介绍给大家的虫洞,也是史瓦西的后代。

最后,我们所说的爱因斯坦—罗森桥其实就是宇宙中可能存在的连接两个不同时空的狭窄隧道。由强大引力场造成强烈时空弯曲可以是黑洞和白洞,所以虫洞可以是链接黑洞——黑洞,也可以是黑洞——白洞。也被称为“时空虫洞”。

虫洞在史瓦西解中第一次出现,是当物理学家们想到了白洞的时候。他们通过一个爱因斯坦的思想实验,发现时空可以不是平坦的,而是弯曲的。在这种情况下,我们会十分的发现,如果恒星形成了黑洞,那么时空在史瓦西半径,也就是视界的地方是与原来的时空完全垂直的。在不是平坦的宇宙时空中,这种结构就意味着黑洞的视界内的部分会与宇宙的另一个部分相结合,然后在那里产生一个洞。这个洞可以是黑洞,也可以是白洞。而这个弯曲的视界,叫史瓦西喉,也就是一种特定的虫洞。

二、爱因斯坦—罗森桥有什么性质?

自从在史瓦西解中发现了虫洞,物理学家们就开始对虫洞的性质感到好奇。

虫洞没有视界,它有的仅仅是一个和外界的分解面。虫洞通过这个分解面和超空间连接,但是在这里时空间曲率不是无限大。就好比在一个在平面中一条曲线和另一条曲线相切,在虫洞的问题中,它就好比是一个四维时空和一个三维的空间相切,在这里时空曲率不是无限大。因而我们现在可以安全地通过虫洞,而不被巨大的引力所摧毁。

我们先来看一个虫洞的经典作用:连接黑洞和白洞,成为一个爱因斯坦——罗森桥,将物质在黑洞的奇点处被完全瓦解为基本粒子,然后通过这个虫洞(相似于爱因斯坦——罗森桥)被传送到这个白洞的所在,并且被辐射出去。

如果恒星形成了黑洞,那么时空在史瓦西半径,也就是视界的地方是与原来的时空完全垂直的。在不是平坦的宇宙时空中,这种结构就意味着黑洞的视界内的部分会与宇宙的另一个部分相结合,然后在那里产生一个洞。这个洞可以是黑洞,也可以是白洞。而这个弯曲的视界,叫史瓦西喉,也就是一种特定的虫洞。

当然,前面说的仅仅是虫洞作为一个黑洞和白洞之间传送物质的道路,但是虫洞的作用远不只如此。

如果这个不好理解的话大家这样看,我们的海面和海底可以看做两个时空,通过形成的漩涡可以使两个时空局部拉近甚至打通。这跟我们的黑洞强引力场形成的空间弯曲造成引力透镜效应是一样的!再形象一点,我们有一根木棍,我们从木棍的一端到另一端,正常走肯定距离很远,如果我们使木棍弯曲然后两端结合到一起这样距离就近了,虫洞的强引力场引起的空间弯曲也是异曲同工之妙!

黑洞和黑洞之间也可以通过虫洞连接,当然,这种连接无论是如何的坚韧,它还是仅仅是一个连通的“宇宙监狱”。

三、虫洞也许能帮我们实现星际旅行

虫洞通过这个分解面和超空间连接,但是在这里时空曲率不是无限大。就好比在一个在平面中一条曲线和另一条曲线相切,在虫洞的问题中,它就好比是一个四维管道和一个三维的空间相切,在这里时空曲率不是无限大。因而我们现在可以安全地通过虫洞,而不被巨大的引力所摧毁。

由最新的科技尚不能观察到宇宙的边界,由此可见我们的宇宙是非常大的,然而,根据爱因斯坦狭义相对论中提出的光速不变原理,使得我们的极限速度最多只能光速,然而各种星体间的距离动则多少多少甚至上亿光年。对于我们的科技来说甚至离开太阳系都有点艺想天开。如果真的发现了虫洞甚至通过它实现星际旅行,这对于我们探索宇宙,寻找地外文明就不再是天方夜谭。

那么虫洞都有些什么性质呢?

虫洞是1916年由奥地利物理学家路德维希·弗莱姆首次提出的概念,1930年由爱因斯坦及纳森·罗森在研究引力场方程时假设的,认为透过虫洞可以做瞬时的空间转移或者时间旅行。


所以,我们看到,如果能通过虫洞,我们便可以实现如科幻电影中的“时空穿梭”!当然这只是理论的说法,至今还没有观察到虫洞。也许是科技还没到那一步,也许还有其他原因……也有人说量子世界中经常存在空间裂缝,使得我们的量子世界和宏观世界截然不同的规则。经常存在测不准情况,还有量子纠缠等现象,既然不能违背狭义相对论中的光速不变原理,会不会在两个纠缠量子之间存在某种类似时空虫洞之类的连接?这个问题交给大家去讨论!

利用相对论在不考虑一些量子效应和除引力以外的任何能量的时候,我们得到了一些十分简单、基本的关于虫洞的描述。这些描述十分重要,但是由于我们研究的重要是黑洞,而不是宇宙中的洞,因此我在这里只简单介绍一下虫洞的性质,而对于一些相关的理论以及这些理论的描述,这里先不涉及。

虫洞有些什么性质呢?最主要的一个,是相对论中描述的,用来作为宇宙中的高速火车。但是,虫洞的第二个重要的性质,也就是量子理论告诉我们的东西又明确的告诉我们:虫洞不可能成为一个宇宙的高速火车。虫洞的存在,依赖于一种奇异的性质和物质,而这种奇异的性质,就是负能量。只有负能量才可以维持虫洞的存在,保持虫洞与外界时空的分解面持续打开。当然,狄拉克在芬克尔斯坦参照系的基础上,发现了参照系的选择可以帮助我们更容易或者难地来分析物理问题。同样的,负能量在狄拉克的另一个参照系中,是非常容易实现的,因为能量的表现形式和观测物体的速度有关。这个结论在膜规范理论中同样起到了十分重要的作用。根据参照系的不同,负能量是十分容易实现的。在物体以近光速接近虫洞的时候,在虫洞的周围的能量自然就成为了负的。因而以接近光速的速度可以进入虫洞,而速度离光速太大,那么物体是无论如何也不可能进入虫洞的。这个也就是虫洞的特殊性质之一。

但是虫洞并没有这么太平。前面说的是在安静的相对论中的虫洞,在暴躁的量子理论中,虫洞的性质又有了十分重要的变化。

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