新研究:蟲洞穩定性或是穿越時空可行捷徑

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【大紀元2021年12月01日訊】(大紀元記者笛睿編譯報導)蟲洞是科學家設想宇宙中存在的一種連接遙遠時空兩地的捷徑,比如說從蟲洞的一端進去,從另一端出來的時候已經抵達位遙遠宇宙區域的另一個星系。

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現在的技術既沒有能力探測到這種天體結構,也沒能力在地球上建造模擬的環境。但是對於未知的、假設存在的事物,現代研究的典型方法是先用現有的各種理論進行計算。如果理論計算能夠證明其存在的可能性,這就是里程碑式的一步。

蟲洞這個令人著迷的假設來說,遺憾的是,目前大部分計算都顯示即使它能夠存在,剛產生就會坍塌,無法支持任何物體在其中完成「旅行」的過程。用科學家的說法,這種結構是極度「不穩定」的。

但是10月9日發表在預印網arXiv上的一份研究獲得一些進展,法國里昂高等師範學校(École Normale Supérieure de Lyon)的物理學家柯伊蘭(Pascal Koiran)從一種計算方法中證明蟲洞可以足夠「穩定」,讓物體從中間通過抵達另一端。

美國天文物理學家薩特(Paul Sutter)11月15日發表在Live Science的文章解釋了這份研究。薩特說,柯伊蘭通過黑洞的愛丁頓-芬克斯坦度規(Eddington–Finkelstein metric),發現蟲洞可以具有穩定性。

什麼是黑洞的度規?薩特說,就是科學家用於描述同一個概念的不同的方法。他說:「想象一下你要去祖母家吃感恩節大餐,你要知道怎麼去的路線。這可以是街道路線圖、衛星坐標,還可以是畫在餐巾紙上的地標草圖。每一種方法都是一個度規,不管你怎麼描述,你都能抵達祖母家吃到大餐。」

類似的,物理學家用不同的度規描述神秘的黑洞。最流行的至少有兩種,一種叫史瓦西度規(Schwarzschild metric),這是早期用以發現黑洞所使用的方法。但是科學家發現,任何物體抵達黑洞的邊緣——事件視界(event horizon)的時候,這套數學方法就失效了。薩特的解釋是,此時「這套度規完全無法分辨時空的不同位置」。

另一種流行的描述方法就是上面提到的愛丁頓-芬克斯坦度規。薩特說,這種度規能夠繼續追蹤跨過事件視界的物體:物體掉進黑洞後再也不見了。這怎麼與蟲洞聯繫起來?薩特說這份研究用到了「黑洞」和「白洞」的概念。

黑洞和白洞

薩特說,愛因斯特和納森·羅森(Nathan Rosen)最早提出黑洞存在其鏡像版本——白洞,並提出兩者之間可以通過蟲洞連接。所以,蟲洞的概念最早也被稱為「愛因斯坦-羅森橋」(Einstein-Rosen bridge)。簡單地理解,黑洞不允許任何物體逃逸,白洞不允許任何物體掉進去。當時的理論提出,只要把兩者的「奇點」(黑洞的中心點,理論上這是一個體積無限小、密度無限大、引力無限大的「點」)連起來,就造出了連接時空的隧道。

可是,愛因斯坦和羅森用的是史瓦西度規描述黑洞。結果他們發現,按照相對論,白洞自身都不穩定(甚至可能不存在),即使形成了蟲洞,蟲洞內極端的引力在它形成的瞬間就能夠把蟲洞拉斷。所以科學家說蟲洞「不穩定」。

這份新研究使用了愛丁頓-芬克斯坦度規。柯伊蘭說,他能夠從一個粒子跨過事件視界開始,一路追蹤它進入蟲洞隧道,再從另一端出來的整個過程,而且這個過程在有限的時間內完成。

這份研究是否足以證明蟲洞可以穩定存在?薩特認為事情還不這麼簡單。他認為這份研究只解決了引力方面的問題,蟲洞還會受到其它作用力的干擾,比如熱動力作用。從熱動力的角度看,現有的理論仍然難以證明白洞的穩定性,也認為建成的蟲洞會被極高的能量密度壓垮。

薩特的看法是,這份研究至少說明,蟲洞存在的可能性比以前理論認為的可能性大了一些,至少不會被引力摧毀。

這份研究已被安排發表在下一期的《國際現代物理學雜誌D刊》(International Journal of Modern Physics D)。◇#

責任編輯:葉紫微

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