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哈佛物理学家:虫洞不能让你回到过去,但可用来躲避星际战争

图片来源:pixabay

 

如果外星人之间发生星际战争,而地球人打不过外星人,那么地球人应该怎么办?最新的虫洞研究也许可以给我们一定的启示:人类可以躲在虫洞里,等战争结束了再出来。

 

撰文 | 张华

以前说到虫洞,大都与星际旅行这个话题有关。因为宇宙太大,而人类的飞行器速度太慢,我们的寿命也很短,所以要跨越遥远的星际空间几乎是不可能完成的任务。比如距离太阳最近的恒星位于半人马座,与我们大约相隔4光年,就算以光速的百分之一飞行,也要需要400年时间才能抵达这里;而太阳距离银河系中心则是26 000光年,所以在当前的技术水平下,前往银河系中心几乎是一个遥不可及的梦想。最近人类拍摄到的第一张黑洞照片,则位于距离太阳系5500万光年的遥远星空,人类的肉身怎么可以穿越这遥远的星辰大海?

于是,大家总是说,想要穿越遥远的星际空间,只能依靠虫洞。但是,最新的虫洞研究告诉我们,通过虫洞实现星际旅行可能并不是最佳选择。

可穿越虫洞:关键是负质量

要理解最新的虫洞研究,需要先看看虫洞研究的历史。

1935年,爱因斯坦与罗森在研究广义相对论的时候发现了“爱因斯坦与罗森桥”,这是一种不可穿越的虫洞——所谓“不可穿越”,就是不能在有限的时间内通过这个虫洞,所以这种虫洞在现实中并没有实际意义。

这种尴尬的局面一直持续了整整50年才有所改变。1985年,美国康奈尔大学的天文学家与科学作家卡尔·萨根(Carl Edward Sagan)写了一本科幻小说《接触》(Contact)。这部小说描述了人类通过虫洞穿越到了距地球 26 光年的织女星附近,然后与外星文明接触,最后顺利返回地球。

这部小说可以看成是人类第一次提出了“可穿越虫洞”的概念——所谓“可穿越虫洞”,意思就是说人类可以在有限的时间内穿越虫洞并返回。

在写这部小说的过程中,卡尔·萨根一开始也对这个领域也没有太多研究,他错误地把虫洞写成了黑洞。但他请教了他的一位老朋友——加州理工学院的物理学家基普·索恩(Kip Thorne)教授,后者建议他把黑洞换成虫洞来作为星际旅行的工具。

在和卡尔·萨根交流时,索恩知道黑洞不能用于星际旅行,于是他想到了他的导师约翰·惠勒(John Wheeler)在十几年前提出的“虫洞”概念。

但惠勒的虫洞概念也仅仅是一个概念,没有任何物理计算细节。所以索恩与他的学生迈克·莫里斯(Mike Morris)一起,开始用正统的广义相对论知识对虫洞物理学展开研究,并在两年后发布了研究论文。这篇论文发表在《美国物理杂志》(American Journal of Physics)上,标题是“时空中的虫洞及它们在星际旅行中的应用:讲授广义相对论的工具”(Wormhole in spacetime and their use for interstellar travel: A tool for teaching general relativity)。

这张图片来自索恩的虫洞论文,直线表示虫洞的一个入口在时空中的轨迹(世界线),曲线是虫洞的出口在时空中的轨迹。世界线上的阿拉伯数字表示出口与入口当地的时间。

虫洞是连接出口与入口的一个隧道,在索恩的虫洞模型中,虫洞很短,穿越这个虫洞所需要的时间可以近似为零。在这种情况下,当一个人从虫洞的入口进入,再从虫洞的出口出来,随后他在沿着虫洞返回入口,他有可能穿越到自己的过去,这将引起祖父悖论。

索恩与他的学生在论文中提出的观点大致是这样的:爱因斯坦的引力场方程的左边是空间曲率,而右边是能量动量张量。对爱因斯坦引力方程的分析表明,要想产生可穿越的虫洞,引起这种时空弯曲的物质所对应的能量动量张量必须违反平均类光能量条件。也就是说,想要制造出一个人类可以往返穿越的虫洞,必须消耗巨大的负质量物质来撑住这个隧道——否则这个隧道很容易“塌方”。根据爱因斯坦的狭义相对论,质量与能量是等价的,所以负质量意味着负能量——但宇宙中根本就不存在大规模的负能量,所以要想打开可穿越的虫洞似乎是不可能的。

根据广义相对论,违反平均类光能量条件是所有可穿越虫洞的先决条件。换句话说,如果要想穿越虫洞,相当于要求经过虫洞的类光测地线(也就是以光速运动的粒子)不能在虫洞里汇聚,而这需要用到印度的一位著名物理学家瑞查德符里(Amal Kumar Raychaudhuri)提出的方程。通过瑞查德符里的方程可以看出,在虫洞中,光线只有在物质场的能量动量张量违反平均类光能量条件下才不会撞上奇点——在这种情况下,聚焦在虫洞一端的光线在离开虫洞的另一端时会散开,这样才可以顺利从虫洞中逃出来。

但是,这个世界上不存在违反平均类光能量条件的物质。因此,在这个意义上,虫洞就算能因为量子效应瞬间产生,也往往会自毁。正因为虫洞天生就喜欢自我崩塌,所以到了后来,索恩也感觉到虫洞很难实现,甚至不可能存在,于是他说“虫洞需要有高级文明有意识的去创造和维持。”随后,索恩就去研究引力波了。

新虫洞研究:不可穿越的虫洞等价于量子纠缠

最近几十年来,索恩把兴趣点从虫洞研究转移到了引力波探测,并且在2017年因为人类首次探测到引力波获得了诺贝尔物理学奖。

但虫洞的研究并没有停止。而且,虫洞研究的基本思想在近10年已经发生了很大的改变。

虫洞研究的新思想来源可以概括为一个物理公式,那就是由普林斯顿高等研究院的胡安·马尔达西那(Juan Maldacena)和斯坦福大学的伦纳德·萨斯坎德(Leonard Susskind)在2013年提出的“ER = EPR”。公式第一次把虫洞与量子纠缠联系在了一起。

ER 的全称为 Einstein-Rosen(爱因斯坦-罗森)桥,这在本文一开始我们已经提到过。这是爱因斯坦和纳森·罗森(Nathan Rosen)在研究广义相对论方程时提出的一种不可穿越的虫洞。

而 EPR 则是 Einstein-Podolsky-Rosen(爱因斯坦-波多尔斯基-罗森)这三位科学家的姓名的首字母缩写。波多尔斯基(Boris Podolsky)是一名俄籍美国物理学家。EPR 在物理中描述的是一对相互纠缠的粒子。

本来,ER与这 EPR两个概念风马牛不相及,因为爱因斯坦-罗森桥是描述大尺度宏观现象的广义相对论的产物,而 EPR 对则是对微观世界的量子纠缠行为的描述,而且量子纠缠在大尺度上很容易因为退相干而消失。

但到了2013年,曾因提出ADS/CFT对偶理论而名声大噪的马尔达西那与萨斯坎德抛出了重磅炸弹“ER = EPR”。如果把黑洞视为量子系统而不是经典物体,那么就可能出现由两个高度纠缠的黑洞组成的系统。对这种纠缠态进行仔细研究,就会发现这种纠缠态对应的时空可以看成一个不可穿越的虫洞连接了两个黑洞,这就是“ER = EPR”的真正含义。

绘图:Malcolm Godwin

值得注意的是,ER与EPR 这两篇论文的作者里,都有爱因斯坦和罗森,而且都是在1935年发表的,前后相差2个月。更加令人惊讶的是,80年后,马尔达西那与萨斯坎德发现,这两篇文章本质上说的是同一件事情。他们推测,任何一对纠缠量子系统都是由爱因斯坦-罗森桥(不可穿越虫洞)连接的。

     

在ER=EPR的基础上,哈佛大学的丹尼尔·贾弗里斯(Daniel Jafferis)与高苹,以及来自斯坦福大学的阿伦·沃尔(Aron Wall)开始了新虫洞研究。高苹是一位年轻的中国科学家,他从清华大学物理系毕业后,就去了哈佛大学物理系攻读博士学位。

贾弗里斯、高苹以及沃尔提出的虫洞方案与索恩的不同,前者的新虫洞不适合长距离的星际旅行,因为他们所刻画的虫洞连接的是两个距离很近的黑洞。而且,“穿过这些虫洞比直接旅行更慢”。他们对长距离的星际旅行持悲观态度。

新虫洞是怎么产生的?

但有一点是可以肯定的,那就想要打开可穿越的虫洞,必须有大量的负质量。问题的关键在于,负质量物质从什么地方来

负质量在经典物理学的意义上是不可能出现的,但是,量子力学却可以产生负质量。最著名的例子是卡西米尔效应——比如两块平行金属板之间的电磁真空状态,理论与实验结果都表明,金属板之间的真空态具有负能量,这被称为卡西米尔能量。这种负能量可以被视为负质量。因此,卡西米尔效应说明,量子力学可以实现负质量,并有助于创造一个可穿越的虫洞。正如前文描述的那样,可穿越虫洞的技术细节是要得到一个违反平均类光能量条件的能量动量张量,换句话说,可穿越虫洞的维持要求具有负的平均类光能量的物质场(因为根据爱因斯坦的广义相对论,物质场引起时空的弯曲)。

三年前,贾弗里斯、高苹与沃尔研究了两个永恒的BTZ黑洞边界的相互作用之后,他们发现了在这里可以产生一个具有负平均类光能量的量子物质能量动量张量,这个情况等价于出现了负质量,所以其反引力作用可以使爱因斯坦-罗森桥勉强可穿越(BTZ黑洞是一种反德西特时空中的二维黑洞,但他们的结论对三维空间中的黑洞同样成立)。这时,虫洞就是可穿越的,如果一个人跳进一个黑洞,他可以从另一个黑洞逃脱。

高苹在接受采访时说,“量子纠缠等价于不可穿越的虫洞,但加上负质量物质后,这个虫洞就变得可穿越了。所以两个黑洞实际上在视界之后是连接起来的。如果一个人跳进第一个黑洞的时候速度足够快,那么它实际上很接近第二个黑洞的视界,虽然这个人还在黑洞里面。然后,我们用量子的相互作用产生负能量的物质,当这个负能量的物质进入黑洞的时候,在黑洞里的人一旦碰到负能量物质,他就可以被推出来。”

高苹强调,虽然这两个黑洞在空间上的距离很近,但实际上连接它们的虫洞非常长。

 

新虫洞不会“超光速”,但可以躲避星际战争

在传统的虫洞研究中,一个核心的问题在于,如果一个人穿越虫洞的时间太短,而在空间上移动很大的距离。比如在1秒钟内从地球穿越到了银河系中心,那么这在外部世界看来就是超光速的运动。这种穿越行为一定会违反相对论的因果性,最后产生悖论。

1988年,索恩证明了如果虫洞很短,那么人就通过虫洞回到过去。这是一个非常有趣的结果,但这会引发悖论。因为如果通过虫洞的时间很短,那么根据简单的狭义相对论就可以证明利用虫洞就可以做出时间机器回到过去,但这个时候会产生因果性的问题,比如一个人可以回到过去杀了祖父,这样就会产生“祖父悖论”。

“祖父悖论”说的是,假如一个叫小王的人可以回到过去,那么他就可以杀死自己的爷爷,当时他爷爷还只是一个儿童,没有结婚生子,所以小王的父亲就不会出生,因此小王没有父亲,小王也不能出生,那他又是怎么回到过去杀死自己的爷爷的呢?因此这是一个悖论。这个悖论说明,回到过去是不可能的。

因此,从祖父悖论这种逻辑推理可以看出,可穿越的虫洞就算存在,也一定要避免产生祖父悖论这样的因果性疑难。

贾弗里斯、高苹和阿伦·沃尔的理论是通过一些量子效应,使得不可穿越的虫洞变得可以穿越,但他们的新虫洞并没有破坏因果性,因为在他们的模型中,虫洞非常长,在虫洞里旅行需要花费很长的时间——因为在虫洞中穿行的时间比在虫洞外更长,所以这不会引起祖父悖论。

高苹在接受采访时表示,“两个黑洞可以由虫洞连接,这两个黑洞之间的距离很近,同时它们之间存在很强的量子纠缠。我们的研究表明,连接这两个黑洞的虫洞非常长,人类在这个虫洞中旅行需要花费很长的时间,所以在虫洞中躲避星际战争是可能的。”

因此,新虫洞并不是做星际旅行的最佳选择,相反,新虫洞可以被看成是一个世外桃源,是一个可以长时间呆在里面躲避外部星际战争的桃花岛。

 

原始论文:

Traversable Wormholes via a Double Trace Deformation

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