穿越时空是否真的能变为现实?

作者:张嘉璐来源:科普中国发布时间:2017-02-16

虫洞也可以叫时空洞或爱因斯坦-罗森桥,它最早由奥地利物理学家路德维希·弗莱在1916年提出。而1930年爱因斯坦及纳森·罗森在研究引力方程时,认为透过虫洞可以做瞬时时空转移或时间旅行。

  穿越时空一直是人们梦寐以求的梦想,在众多科幻小说、影视作品中穿越总是一种必不可少的因素。那么到底可不可以穿越时空呢?科学家给出了许多不同的解释。

  “穿越”到底是什么?

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  首先,我们要了解一些什么叫“穿越”。“穿越”在物理学上有一个很形象的名字——时空旅行,或者叫时间旅行,它泛指人或物体进行空间和时间的变化。这里就不得不再提一点:我们的现实世界是三维的,但根据爱因斯坦的相对论观点来解释,我们就可以把时间看做是第四维度,这样就把时间和空间变成了相当于坐标系下两个不可分割的整体,类似于坐标系中长宽高的关系。而时空旅行则是要通过改变时间(尤为重要)和空间来进行“旅行”的,也就是说,我们要跳进第四维度中,然后在跳出来,完成“穿越”。

  虫洞:完成时空旅行

  接下来我们就要进入我们的关键部分,如何才能“跳”出我们的三维空间?现在大部分人的观点是要进行时空旅行,我们必须要通过虫洞。虫洞类似于穿过两座山的山体隧道或者是漏斗中间的细颈部分,但它的定义、发现甚至建造都是一项繁重而艰巨的任务,而不是简单的一条通道。

  虫洞也可以叫时空洞或爱因斯坦-罗森桥,它最早由奥地利物理学家路德维希·弗莱在1916年提出。而1930年爱因斯坦及纳森·罗森在研究引力方程时,认为透过虫洞可以做瞬时时空转移或时间旅行。

  虫洞的自然产生机制有两种:一、由于黑洞强大的引力能;二、是由于克尔黑洞的快速旋转将时空撕出一些“小口子”。上面两种机制可以理解为,现在我们要破开一张白纸,要么这个物体足够重可以把白纸撑破,要么它有很大的速度可以把白纸撕开。所以一些影视剧中关于主角穿越时必定是由于大量能量涌入一个地方,破开和宇宙这张白纸。

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  当然随着研究的深入,我们发现虫洞还具有超强的引力场,它会把一切物体撕裂为基本粒子,而在宇宙中,理论上有很多虫洞但很少有直径超过10万公里的,但是这个宽度恰恰是太空飞船安全航行的最低要求。对于这些问题,一些科学家也给出相应的一些对策,比如用负能量去加固和稳定细小的虫洞,在此基础上我们再进行扩大以便使太空飞船通过。不过按照科学家的构想,我们维持一个虫洞的持续开放需要大量的负能量,但根据量子力学的观点,大量的能量堆积会摧毁虫洞,所以我们要在虫洞关闭之前完成时空旅行。时空旅行仍不是一件容易的事情!

  关于虫洞是如何让时间和空间改变来完成时空旅行的,我们可以分为三个部分来描述:

    一、 时间的改变。我们可以把现在我们所处的宇宙看成为一个平行宇宙,类似于一张白纸。而其他平行宇宙与我们现在所在的平行宇宙平行并且由时间轴串起来,可以简单理解为一沓白纸(张数无限)横放,我们的虫洞就是竖在一沓白纸之间的通道。通过虫洞我可以来到任意页白纸中。不过这样对于平行宇宙的解释可能较为浅显,平行宇宙可以理解为时间上的平行或者空间上的平行,这里只考虑时间上的,而且时间上的平行宇宙也不会只沿这一条线走,在现实中我们如果故意打碎一个杯子,那么打碎杯子和没有打碎杯子的时空也可以看做互为平行宇宙,那么我们也可以把平行宇宙理解为可能性。

    二、 空间上的改变。对于宇宙我们还是可以把它看为一张白纸对折,就会出现和平行宇宙一样的效果,根据宇宙三公理宇宙具有无限延展的特性,所以折叠次数是无限方式也可以是无限种。那么虫洞仍像一条竖在宇宙折叠处,那么我们就可以到达宇宙的各个角落。

   三、 空间和时间的改变。这种方式其实包含在前两种之中,它包括平行宇宙的互相平行和本宇宙的自我折叠,所以产生了时空的改变。

  黑洞&白洞

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  黑洞是现代广义相对论中,宇宙内存在的一种密度无限大体积无限小的天体,它一度被认为是产生自然虫洞的根源。1916年,德国天文学家卡尔·石瓦西通过计算,得到爱因斯坦引力方程的一个真空解,这个解表明,如果将大量物质集中于空间一点,那么就会在质点周围存在一个界面—“视界”。一旦进入这个界面,即使光也无法逃脱。黑洞的产生好像一个气球,不停的膨胀,当达到极限时,“碰!”的一声爆炸了,剩余的东西会迅速收缩。

  对于黑洞的巨大引力我们也可以这样理解,它类似于平面的一个凹点,周围进入凹点附近的物质都会不由自主地滑到凹点底部。1974年霍金预言黑洞也不是完全意义上的“只进不出”,根据广义相对论和量子理论的结合提出了“霍金辐射”。这也说明了大自然远比我们想像中的要复杂的多,人们还是有很多工作需要做。

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  黑洞根据本身的物理性质可分为五类:1、不旋转不带电荷的黑洞,称史瓦西黑洞。2、不旋转带电荷黑洞,称R-N黑洞。3、旋转不带电荷黑洞,称克尔黑洞。4、一般黑洞,称克尔-纽曼黑洞。5、双星黑洞。人们发现的大部分黑洞质量仅为太阳的几倍,但也有少数的黑洞是太阳的几千甚至几亿倍,如在英仙座星系的小型星系NGC1277中心内部的黑洞质量竟达到太阳质量的400亿倍。

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  广义相对论还预言了一种性质与黑洞正好相反的特殊天体——白洞。但现在它还仅仅是一个模型尚未被观测证实,它是宇宙的喷射源,可以向外界提供物质和能量。白洞来源可能由于宇宙大爆炸,由于大爆炸的不均衡性,一些奇点已经延迟了10000000000年,当他们开始爆炸时就产生了白洞。还有一种来源是由于黑洞的反演,形成类似于黑洞到虫洞在到白洞的时空穿梭理论体系,这个体系可以形象解释时空旅行的具体途径。物体先被拉入黑洞,然后经过虫洞穿梭于第四维度,最后由白洞吐出。这种时空穿梭途径很像穿过一个巨大的漏斗。而白洞、黑洞的相对位置决定了时空穿梭的方式。若干年之后我们再进行时空旅行就可以像做电梯一样方便,穿越时空将变得触手可及!

  对于浩瀚的宇宙来说我们的认知还是太少了,相信通过一代又一代人的努力,穿越时空不再是科幻的情节,它将真实应用于我们的生活。

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