时空通道是宇宙捷径恒星这个“小动作” 或能揭示虫洞的存在

2019-11-05 16:54:51 来源：科技日报

穿越时空，是许多人的梦想。它存在于许多科幻作品中。现实中是否真的有办法让人在极短时间内穿越极远的距离?

著名科学家兼科普作家卡尔·萨根曾向诺贝尔物理学奖得主基普·索恩提出过这个问题。索恩告诉萨根，最好的办法是穿越一个虫洞(wormhole)。

近日，一项最新研究表明，恒星的一些特殊“小动作”可能会揭示出虫洞的存在。研究者称，如果虫洞两边各有两颗恒星，那么一侧的恒星引力会对另一侧的恒星产生影响。因此，我们可以通过寻找恒星细微但特殊的运动来寻找虫洞。

这项由中国扬州大学教授戴德昌和美国凯斯西储大学教授德扬·斯托伊科维奇领导的研究，其结果日前发表于《物理评论D》杂志。

科幻故事中的虫洞真的存在吗?新的方法如何寻找虫洞?如果虫洞真的存在，我们在穿越虫洞时需要克服哪些困难?

时空的通道是宇宙捷径

1935年，爱因斯坦和物理学家内森·罗森依据广义相对论预言宇宙中存在一种特殊的“通道”，即“爱因斯坦-罗森桥”或“虫洞”。虫洞连接着两个不同时空中的点，我们可以通过穿越虫洞的方式减少宇宙旅行的时间和距离。

也就是说，虫洞是宇宙中的捷径。想象一下，在一张平铺的纸上，一只蚂蚁要从A点走到B点，“旅行”路途即纸面上A点与B点之间的直线距离。如果纸张弯曲，那么A点和B点之间的空间距离就变得更近，直到两点重叠。此时，蚂蚁再从A点走到B点，“距离”就大为缩短，进而避免了漫长的星际旅行。

中国科学院国家天文台研究员苟利军说，从地球出发，到织女星，如果仅仅限定在我们这个宇宙维度当中，最短的距离也需要25光年，但在高维空间可能只是几米。“虫洞相当于高维空间的一个通道，给我们提供了一个便捷的方式，让我们能够进行星际旅行。”基普·索恩此前就写过一个利用虫洞进行星际旅行的剧本，后来被导演斯托弗·诺兰搬上荧幕，打造了著名的好莱坞大片《星际穿越》。

虽然爱因斯坦的广义相对论从数学上预测了虫洞的存在，但迄今为止还没有人发现它。美国俄勒冈大学理论物理学教授史蒂芬·许表示：“到目前为止，关于虫洞的整个事情还是一种假设，没有人认为我们很快就会发现虫洞。”

银心黑洞可能是藏身之所

在广义相对论中，虫洞与黑洞有关。

在黑洞中，物质坍缩成了一个点，称为奇点。物质一旦进入黑洞，就会被永远困住。虫洞在外部有着与黑洞同样的结构，但它的中心并非是奇点。

虽然黑洞和虫洞外部结构相同，但虫洞的另一端可以存在物质，而黑洞则不行。科学家推测，围绕虫洞运行的恒星轨道，可能与围绕黑洞运行的恒星轨道略有不同。具体而言，如果引力场可以通过虫洞传播，那么恒星的轨道将受到影响，并偏离标准的史瓦西轨道。

研究人员建议在银河系检验这一想法。他们认为寻找这些时光隧道的最佳地点是超大质量黑洞附近，例如银心的人马座A*。因为虫洞需要极大的时空扭曲，而时空扭曲又取决于非常强大的引力。

据报道，有研究人员一直在观测人马座A*附近的一颗名为S0-2的恒星。如果虫洞确实存在于人马座A*附近，S0-2就会受到虫洞另一边的恒星引力的影响，那么随着时间的推移，S0-2会轻微偏离预期的轨道。

戴德昌和德扬·斯托伊科维奇领导的研究团队发现，虫洞入口与普通黑洞存在区别，而且这些差异可以通过远距离观测发现，不需要飞临或钻入黑洞。

两位研究者从考察虫洞口附近时空区域守恒律出发，分别计算了电荷、引力和标量场。检查这三者是否可以穿过虫洞，并影响虫洞另外一侧的时空。计算结果显示，标量场的影响无法穿过虫洞，但电荷和引力的影响都可以透过虫洞，在另外一侧时空中留下痕迹。

德扬·斯托伊科维奇说：“如果我们检测到S0-2轨道上的扰动，最有可能的解释是其附近存在虫洞。但我们不能肯定地说这一定是虫洞造成的。因为其他因素也有可能扰乱这颗恒星的运动。”

脆弱的虫洞难当大任

想要穿越虫洞并非轻而易举，一方面，虫洞存在与否这一问题本身没有得到解决，我们不知道虫洞是否存在，又在何处。另一方面，即便找到了虫洞，在穿越虫洞时还要面临许多未知的挑战。

最大的问题就是虫洞的稳定性难以保证。有人说，虫洞对于星际旅行或许毫无用处，因为它们会很快崩溃。史蒂芬·许说，稳定虫洞需要某种非常特殊的物质，但目前尚不清楚这种物质是否存在于宇宙中。

根据基普·索恩的设想，具有“负能量密度”的奇异物可以作为保持虫洞持续开放的物质条件，由此虫洞将被改造成违背因果律的时间机器，用于星际航行。但美国国家航空航天局的埃里克·克里斯蒂安博士说：“目前没有任何方法来产生这些巨大的负能量。我们对如何创建或维持虫洞无能为力。”

除此之外，穿越者还要面临高辐射以及异物接触的风险。

“使用可穿越的虫洞进入未来或回到过去，这并非易事，因为将虫洞转变成时间机器需要付出很大的努力，要摆脱虫洞也异常艰难。”天体物理学家埃里克·戴维斯说。

苟利军表示，我们通常认为的虫洞很有可能自然存在于黑洞中心，而我们又到不了这个中心。即使黑洞的中心可能产生所谓的虫洞，还有一个非常大的问题，就是虫洞的时标只有10-43秒，尺度大约只有10-35米，“如何让虫洞达到非常大的尺度，让飞船能够进入，还要支撑足够长的时间，让飞船有足够多的时间穿过，这都是需要解决的问题。”

德扬·斯托伊科维奇说：“即使虫洞可穿越，人与飞船也很可能无法通过。我们需要负能量来保持虫洞的持续开放，但目前的我们什么也做不了。总之，要创建一个稳定的、巨大的虫洞，需要一些未知的‘魔术’。”

广义相对论似乎确实允许时空经过某些路径，给出了时空旅行的可能，但是这些路径超出了人类已有的测试能力。至少目前来看，还没有已知的时空旅行方式，虫洞也只能是我们翘首以盼的未来。