时间简史虫洞和时间旅行(如何理解霍金《时间简史》中「虫洞」的概念)

下面是好好范文网小编收集整理的时间简史虫洞和时间旅行(如何理解霍金《时间简史》中「虫洞」的概念)，仅供参考，欢迎大家阅读！

关于“虫洞”，大多数人都是通过科幻小说《接触》或者同名的好莱坞电影接触的，以至于后来“虫洞”成为了星际旅行的标配。实际上Sagan在创作这部小说的时候就遇到了麻烦——他设想利用黑洞完成快速旅行，但是他对于引力理论并不熟悉，于是他求助了他的朋友Kip Thorne（后来《星际穿越》的科学顾问）。Kip Thorne大致浏览了一下这个方案，就知道它是一条死路，而他的老师惠勒正在研究“几何动力学”，于是他把这一理论介绍给了Sagan，才有了后来的“虫洞”。

首先，我们来看看为什么黑洞旅行是失败的，而他失败的原因恰恰是虫洞旅行的关键。一般而言，我们是不会想象利用黑洞旅行的，在大众眼里它是一个吞噬一切的“怪物”，事实上Sagan不是一个普通的科幻作家，他还是个天文学家，他选择这一设想并非空穴来风，而是有所依据的，这个依据正是大名鼎鼎的爱因斯坦。

1935年爱因斯坦与罗森发表了一篇名为《广义相对论中的粒子问题》的论文，在论文中提出来后来被称为爱因斯坦—罗森桥的广义相对论的特殊解。爱因斯坦—罗森桥有若干版本，其中其中最简单的版本是对 Schwarzschild 度规: ds^2 = (1-2m/r)dt^2 — (1—2m/r)^{-1}dr^2 — r^2dΩ^2 ,作坐标变换 r—2m=u^2 所得到的解: ds^2 = [u^2/(u^2+2m)]dt^2 — 4(u^2+2m)du^2 — (u^2 + 2m)^2dΩ^2 ,其中 Uin（-∞，+∞） 且两端平直，看起来就像一座桥一样，所以Sagan才会联想到旅行。

但是想通过爱因斯坦-罗森桥进行星际旅行是不可能成功的，因为在视界处，爱因斯坦罗森桥的度规是退化的，你会直接掉入黑洞中而不会经过任何“桥梁”。及时你视死如归，在抵达视界的过程中，外部观测者看来是要花费无穷长时间的，所以这趟旅行只是对旅行者本身有意义，而且掉入黑洞的旅行者也会因为强大的潮汐力被撕得粉碎。

除了上述麻烦以外，出口也是棘手的问题，由于广义相对论具有时间反演对称性，所以人们会联想到另一个离奇的概念—白洞。就像 @独鱼仅一 的方案一样，黑洞吞噬一切，白洞喷射一切，但事实上，如果真要反演一个黑洞，我们必须反演它的蒸发过程，这个概率小的难以想象，而且在物体掉落过程中，我们还要反演各种辐射情况，这样概率就被进一步降低了。更可怕的是，我们在黑洞中遭遇的所有困难也会在白洞中遭遇，比如物体从视界中喷射出来的过程在外部观测者看来也将需要无穷长的时间，而且在奇环的內视界中可能会遭遇无限蓝移等等。

然而“虫洞”对此又有什么高见呢？实际上在“虫洞”研究的早期，惠勒并没有把它看做星际旅行的通道，而是想将带电粒子几何化。在尝试中，他通过引进物理空间的多通道结构，使得通道的出入口形成所谓的“粒子”（想象“虫洞”的出口放出磁力线进入“虫洞”的入口，从而在无需任何电荷的情况下显示出了一对正负电荷所产生的电磁场）。之后惠勒还提出了关于时空结构的“量子涨落”，在普朗克尺度下，时空的拓扑结构会发生改变甚至撕裂，从而产生“时空泡沫”，这为“虫洞”的诞生提供了可能。

但是惠勒对“虫洞”的研究只是概念上的描述，在技术上的实现是 Thorne建立起来的。在吸取了黑洞旅行失败的经验下，Thorne给出了实现可穿越“虫洞”所要满足的几个条件：

不存在视界。

穿越过程中遇到的应力是人体能够承受的。

满足广义相对论场方程。

物质的能量动量张量是物理上存在的。

物质的数量是可观测宇宙可以提供的。

在微扰下保持稳定。

度规是静态球对称的。

径向坐标值的最小处是唯一的。

出入口分别连接渐近平直时空。

在广义相对论中， 寻找具体解的传统做法是首先给定物质分布 (即物质能量动量张量的分布)， 然后求解广义相对论场方程以得到时空结构，但是在寻找“虫洞”解时，这样做会遇到一些麻烦，因为谁也不知道“虫洞”的物质分布是怎么样的，所以Thorne换了一个思路，将传统做法逆转， 从时空结构入手， 然后用广义相对论场方程计算出物质分布。虽然逆转从数学上是等价的，但是物理上却又微妙的差别，传统做法首先给定了物质分布，可以保证物理上是可以实现的，而逆转做法是无法保证所计算出来的物质分布是能够实现的。但恰恰是这样微小的差别确导致了后面不可思议的结果。

在虫洞的出入口我们分别连接渐近平直时空 ， 因此我们需要引进两个坐标域 ， 分别描述出口和入口附近的时空， 两者在径向坐标值的最小处相互衔接。 由于度规是静态球对称的 ，使得物质能量动量张量的形式具有一定的限制，使它在 t， r 以及两个横向坐标组成的正交标架场中具有 Tab = diag(ρ' , τ, p, p) 的正则形式，其中 ρ' 是能量密度， τ 是径向张力， p 是横向压强， 它们都只是径向坐标 r 的函数，这是球对称可穿越虫洞的物质分布所需满足的一般条件。但是在计算中我们会发现在球对称可穿越虫洞的径向坐标最小处附近，零能量条件会遭到破坏！这就是逆转做法的微妙差距，因为从传统做法上来看，我们是很难想到要引入违反能量条件的物质分布的。

由于可穿越虫洞的物质分布 (即物质能量动量张量的分布) 会破坏零能量条件，所以物理学家把它们称为奇异物质。这些物质之所以“奇异”，是因为在零能量条件中，对于任何一个主压强 p都有 ρ '+ p ≥ 0，零能量条件被破坏就意味着至少有一个主压强p有 ρ '+p＜0。如果我们取以p为运动方向的惯性系，由洛伦兹变换可得能量密度 ρ'= γ^2(ρ’ + p) — p ,其中 γ = (1 — v^2)^{-frac{1}{2}} ,因为 ρ '+ p < 0，所以总可以找到惯性系 ， 使得 ρ' < 0，也就是说这些奇异物质具有负能量！

在经典物理学里，负能量是不可思议的说法，我们通常将真空定义为零能量，而负能量就意味着比真空还低的能量！真空已经“一无所有”了，还有比它更低的吗？答案是肯定的，在量子力学里，真空只是量子场的基态，与其它状态只有能量高低的区别，小尺度下的量子涨落和虚粒子对的产生湮灭，都可能产生比真空更低的能级，所以真空并不是“一无所有”，负能量的存在也不是那么不可思议 。后来卡西米尔效应也证实了负能量的存在。

虽然负能量的存在对虫洞的形成是利好的消息，但是负能量的产生往往是量子效应在某些特定的区域下，数量非常微小，而且它的移动也会伴随环境的变化。如果对构建虫洞的负能量进行数学计算，考虑到穿越虫洞时， 星际飞船及乘员将会遇到两种不同类型的应力： 一种来自虫洞物质本身的张力， 另一种则是虫洞引力场所产生的潮汐力，为了安全的通过，虫洞的半径必须足够大，经过计算一个半径为一光年的球对称虫洞喉咙附近的张力大小约为 5×10^{10} N/m^2 , 它相当于在每平方米的面积上压上 500 万吨的重物,是原子结构所能承受的极限！而且构筑虫洞所需的奇异物质的数量正比于虫洞半径，一个半径为一光年的虫洞所需的奇异物质的数量约相当于太阳质量的十万亿倍，比整个银河系的质量都要大得多！别说是负能量物质了，就是普通物质，这样的数量也是不可想象的。

虽然理论上有诸多困难，但未来就能实现也不是没有可能。如果虫洞真的能被制造出来，除了星际旅行，最让人感兴趣的也许就是时间机器了。关于时间机器中康涅狄格州立大学 的物理学家Thomas Roman给出了一个方案：

构筑一个虫洞 (或利用一个现成的虫洞)。使之成为一个对相距 L 的两条世界线 (t, 0, 0, 0) 和 (t, 0, 0, L) 作等时连接的通道。

设法在虫洞的入口和出口之间产生一个时间差。可以通过让出口相对于入口作高速运动后返回， 利用狭义相对论的时钟延缓效应来做到， 或通过将出口置于与入口不同的外部引力场中， 利用引力场的时钟延缓效应来做到， 等等。 假定所产生的时间差为 T， 则这一步完成时虫洞所连接的两条世界线将成为 (t, 0, 0, 0) 和 (t+T, 0, 0, L)。

将虫洞出入口之间的距离 L 缓慢地缩小， 直至接近于0。 这一步完成后， 虫洞所连接的两条世界线将变成 (t, 0, 0, 0) 和 (t+T, 0, 0, 0)。

这样就制造了一个时间跨度为T的时光机器！

但是其他物理学家对时间机器有着不同的态度，特别是“因果悖论”最让人发狂！霍金就曾说过：“上帝憎恶裸奇点”，意思是不可能存在宏观上的时间机器。而 美国物理学家 Robert Wald认为任何细微的辐射都可以通过虫洞返回过去， 与它自身相叠加， 这种叠加过程可以在零时间内重复无穷多次， 从而产生毁灭性的自激效应。

关于虫洞的讨论答题结束了，但要注意的是虫洞并不一定是连接两个时空区域的捷径，如图所示，虫洞之所以成为捷径， 完全是因为外部空间被弯曲成了 U 型， 倘若没有这种堪称离奇的弯曲， 虫洞就失去了最大的价值。 如果外部空间本身是接近平直的， 则虫洞非但不一定是捷径， 反而很可能是绕远。就目前的宇宙观测数据而言，我们宇宙的曲率是接近平直的。