文魁大脑读书会2016,我们真的可以活着穿过虫洞

2019-11-15 21:14栏目:奥门新萄京娱乐场
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《超时空接触》,一个可穿行虫洞的疯狂构想(T)

 (flyingspace /译)时间快进大约1/4 世纪,也就是1985 年5 月。 

卡尔· 萨根给我打电话,让我评论一下他新写成的小说《超时空接触》中关于相对论的描述是否科学准确。我很高兴地答应了,因为我们是很好的朋友,并且我想这本书一定很有意思。另外,我还欠他个人情,因为是他介绍我认识了琳达· 奥布斯特。

 卡尔把他新书的初稿发给了我,我读了之后非常喜欢。但是在我看来,书中有一个问题。在这部小说里,卡尔把女主角埃莉诺· 阿罗维(Eleanor Arroway)博士从太阳系送到了织女星——是通过一个黑洞传送过去的。但是据我所知,人类是不可能通过黑洞从太阳系到达织女星或者宇宙的其他任何地方的,因为在进入黑洞的视界后,埃莉诺· 阿罗维博士将被奇点杀死。如果想快速到达织女星,那么我们的女主角需要的是一个虫洞,而不是黑洞。而且,这个虫洞不会断裂,是一个可以穿行的虫洞。

 所以我问自己,到底怎么做才能让福拉姆虫洞不断开呢?怎样才能保证福拉姆虫洞保持在打开且连通的状态,以让我们穿行过去呢?通过一个假想的实验,我找到了答案。

假设你有一个像福拉姆虫洞那样的球形虫洞,但是与前者不同的是,它不会断开。然后,你可以沿着虫洞的径向发射一束光。因为这束光的所有光线都是沿着虫洞的径向前进的,所以这束光线在虫洞中的形状应该如下图所演示的那样。在进入虫洞的时候,光束会汇聚起来(光束的横截面变小),而当光束从另一端离开虫洞的时候,光束又会发散开来(光束的横截面变大)。虫洞对光线的作用是发散的,类似于一个凹透镜。

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由马特· 奇梅特基于我的草稿绘制, 此图来自我所著的《黑洞与时间弯曲》一书。一束沿径向穿越可穿行球状虫洞光束的示意图。左半部分:高维超空间的假象观测,由三维空间投影成二维形式。右半部分:三维宇宙中的真实观测情形 

我们知道,引力体(例如太阳或者黑洞)会将光线向内弯曲(见下图),而不能将光线向外弯曲。若想将光线向外弯曲,那么作为透镜的引力体需要具有负质量才行(当然负能量也是可行的,因为爱因斯坦的质能守恒方程告诉我们,质量和能量是等效的)。基于上面这些基本的事实,我得到了以下结论:

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太阳或者黑洞对经过其周围的光线的向内弯曲示意图

 任何可穿行的球对称虫洞一定是由某种具备负能量的物质支撑着的。这些物质的能量至少要和光束(或者其他以近光速运动的物体)穿行虫洞时所承受的负能量相当。(在相对论物理定律里,能量的概念比较奇怪—— 一个人所测量到的能量取决于他的运动速度和方向。)

我把这种具有负能量的物质称为“奇异物质”(exotic matter)。(后来我才知道,其实根据爱因斯坦的广义相对论,任何虫洞,无论球对称与否,如果想要保持可穿行的性质,其内部必须填充奇异物质。这个结论是加州大学戴维斯分校的丹尼斯· 甘农(Dennis Gannon)教授在1975 年证明的一个理论的推论。由于我的一些疏忽,当时我并不知道甘农教授的这一理论。)

 令人惊异的是,现有的理论表明,奇异物质是可以存在的,当然这要归功于量子物理里面那些奇怪的法则。物理学家们甚至在实验室里制造出了极少量的奇异物质——实验是在距离极近的两个导体板之间实现的。这个效应被称作卡西米尔效应(Casimir effect)。但是那时(1985 年)的我还不是非常清楚虫洞是否可以抓住足够多的奇异物质以保持自身的连通,所以我还做了其他两件事。

 第一,我写信给卡尔,建议他把书中“通过黑洞把埃莉诺· 阿罗维博士送到织女星”中“通过黑洞”的部分改成“通过虫洞”。信中我还附上了一份描述虫洞的相关计算。这份计算显示,可穿行虫洞内必须填入“奇异物质”。卡尔接纳了我的建议(并且把我有关虫洞的方程加在了他小说的致谢里面)。从此,虫洞正式出现在现代科幻领域,比如小说、电影和电视剧等。 

第二,我与我的两名学生马克· 莫里斯(Mark Morris)和乌尔维· 尤尔特塞韦尔(Ulvi Yurtsever)一起发表了两篇关于“可穿行虫洞”的科技文章。在这两篇文章中,我们向物理界同行们提出了一个问题:通过结合量子定律和广义相对论物理定律,一个高度发达的文明是否可以在虫洞中放入足够多的奇异物质来使之保持连通?

这促使大量的物理学家们进行了大量的研究工作,但是直到今天为止——大约30 年过去了,这个问题依然没有答案。绝大部分研究结果给出了否定的答案,“可穿行虫洞”也许不可能存在。我们离最终的答案还有很长的路要走。相关细节请阅读我的物理学同事艾伦· 埃弗里特(Allen Everett)和托马斯· 罗曼(Thomas Roman)合著的《Time Travel and Warp Drives 》一书。

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可穿行虫洞应该是什么样子? (EG)

对于类似人类这样生活在宇宙中的生物而言,一个可穿行的虫洞看起来会是什么样子呢?

我不能给出确切的答案。如果一个虫洞能够维持开放状态,如何实现的细节依旧是一个谜,所以虫洞形状的具体细节也是未知的。相比之下,罗伊· 克尔已经给出了关于黑洞的精确描述。 

所以关于虫洞的性质,我只能给出一些基于现有理论的猜想,我对这些猜想还是相当有信心的,因此把这一小节标注成EG(有根据的推测)。

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左图由凯瑟琳· 麦克布赖德(Catherine MacBride)拍摄,右图由马克· 英特兰特(Mark Interrante)拍摄。通过虫洞的两个入口分别看到的像。

想象现在地球上有一个虫洞,这个虫洞穿越超体连接了爱尔兰都柏林的格拉夫顿大街与南加州的沙漠。两者在虫洞间的距离也许只有数米那么远(见上图)。

我们把虫洞的两端称为“口”。假设你正坐在都柏林街边的咖啡馆里(虫洞的A 口处),这时我站在南加州沙漠里(B 口处)。这两个入口应该看起来像两个水晶球。当我从B 口看过去时,我会看到一个扭曲的都柏林格拉夫顿大街。这个扭曲的像是从都柏林的A 口处进入虫洞的光所呈现出来的,这个现象特别像光线通过光纤后所成的像。同理,当你从都柏林的A 口看过去时,你会看到南加州沙漠中约书亚树(仙人掌树)被虫洞扭曲的像。(编辑:游识猷)

[注:文中标题处的“T”指的是科学事实,“EG”指的是有根据的推测。]

《星际穿越》,整书阅完

本文节选自《星际穿越》一书,基普•索恩(Kip Thorne)著,苟利军 王岚 李然 等译

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阅读时间:2016年7月10日,20:00-21:30;1.5小时;

阅读书本:《星际穿越》,作者:【美】基普·索恩;浙江人民出版社;P150-P358;

阅读目标:了解电影幕后的科学事实与猜想、有根据的推测,学习科学的基础知识

阅读方法:细读

整书阅读笔记及感想:

作为自己整个知识结构的搭建,天体物理当然应是其中一个部分,另外神奇的宇宙也是我比较感兴趣的。这本书非常适合天体物理爱好者,可谓丰俭随意。想大致了解一下的,则一些基础概念讲解得清清楚楚;想了深入了解一下的,则有科学事实、有根据的推测、猜想三个档次的推进,引人入胜。我对前面的一些简单原理描述看得比较仔细,了解了一些基础知识,另外,对感兴趣的电影解读部分也有选择地进行了了解。感谢基普教教授的呈现。

啥叫虫洞?由作者的导师惠勒提出:假设有一只蚂蚁在苹果上爬行,那么苹果的表面是蚂蚁的整个宇宙。如果有一只虫将苹果整个贯穿蛀掉了,那么蚂蚁从一端到另一个端有两种方法,沿表面走或沿虫洞走。而这个虫洞不属于蚂蚁的宇宙,对于蚂蚁来说,苹果内部是三维的超体或高维超空间,就叫虫洞。最初,我们的宇宙有两个相互独立的奇点,随着时间的流逝,两个奇点终于在宇宙的高维超空间里面相互连通,创造出了虫洞。

经过科学研究发现,虫洞也会经历诞生、膨胀、连通和死亡几个过程。而且这几个连起来的过程是在极短的时间内完成的。奇点是空间和时间无限弯曲的地方。

根据爱因斯坦的广义相对论,任何虫洞,如果想要保持可穿行的性质,其内部必须填充奇异物质。任何可穿行的球对称虫洞一定是由某种具备负能量的物质支撑着的。这些物质的能量至少要和光束(或者其他以近光速运动的物体)穿行虫洞时所承受的负能量相当。作者把这种具有负能量的物质称为“奇异物质”。

作者写这本书时推测LIGO(激光干涉引力波天文台)将在10年内观测到引力波。而今年2016年的2月11日,LIGO即实现了这项伟大观测。

引力波会穿过广袤的宇宙向外传播,同时带走双星系统的一部分能量。随着双星系统能量的不断减少,中子星的公转轨道半径慢慢变小。当中子星和黑洞的距离缩小到30千米的时候,黑洞的潮汐力开始摧毁中子星:其中,97%的中子星遗骸会被黑洞吞噬,而另外的3%遗骸会被抛出黑洞,形成一条热气体的尾巴,最后又被黑洞吸回来,并形成吸积盘。

电影《星际穿越》讲述了一场人类经历黑洞、虫洞、奇点、引力异常和高维空间的冒险旅程。所有这些物理现象都源自于空间和时间的弯曲或与弯曲密切相关。

引力波源自于空间的弯曲,所以它们是探索宇宙弯曲的理想工具。

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