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來歷：舉世科學

假設外星人之間發作星際戰役，而地球人打不過外星人，那么地球人應該怎樣辦？最新的蟲洞研討或許能夠給咱們必定的啟示：人類能夠躲在蟲洞里，等戰役完畢了再出來。

曾經提到蟲洞，大都與星際游覽這個論題有關。由于國際太大，而人類的飛翔器速度太慢，咱們的壽數也很短，所以要跨過悠遠的星際空間幾乎是不行能完結的使命。比方間隔太陽最近的恒星坐落半人馬座，與咱們大約相隔4光年，就算以光速的百分之一飛翔，也要需求400年時刻才干抵達這兒；而太陽間隔銀河系中心則是26 000光年，所以在其時的技術水平下，前往銀河系中心幾乎是一個遙不行及的愿望。最近人類拍攝到的第一張黑洞相片，則坐落間隔太陽系5500萬光年的悠遠星空，人類的肉身怎樣能夠穿越這悠遠的星斗大海？

所以，咱們總是說，想要穿越悠遠的星際空間，只能依托蟲洞。可是，最新的蟲洞研討通知咱們，經過蟲洞完成星際游覽或許并不是最佳挑選。

可穿越蟲洞：關鍵是負質量

要了解最新的蟲洞研討，需求先看看蟲洞研討的前史。

1935年，愛因斯坦與羅森在研討廣義相對論的時分發現了“愛因斯坦與羅森橋”，這是一種不行穿越的蟲洞——所謂“不行穿越”，便是不能在有限的時刻內經過這個蟲洞，所以這種蟲洞在實際中并沒有實際意義。

這種為難的局勢一向繼續了整整50年才有所改動。1985年，美國康奈爾大學的天文學家與科學作家卡爾·薩根（Carl Edward Sagan）寫了一本科幻小說《觸摸》（Contact）。這部小說描繪了人類經過蟲洞穿越到了距地球 26 光年的織女星鄰近，然后與外星文明觸摸，最終順暢回來地球。

 

這部小說能夠當作是人類第一次提出了“可穿越蟲洞”的概念——所謂“可穿越蟲洞”，意思便是說人類能夠在有限的時刻內穿越蟲洞并回來。

在寫這部小說的過程中，卡爾·薩根一開端也對這個范疇也沒有太多研討，他過錯地把蟲洞寫成了黑洞。但他請教了他的一位老朋友——加州理工學院的物理學家基普·索恩（Kip Thorne）教授，后者主張他把黑洞換成蟲洞來作為星際游覽的東西。

在和卡爾·薩根溝通時，索恩知道黑洞不能用于星際游覽，所以他想到了他的導師約翰·惠勒（John Wheeler）在十幾年前提出的“蟲洞”概念。

但惠勒的蟲洞概念也僅僅是一個概念，沒有任何物理核算細節。所以索恩與他的學生邁克·莫里斯（Mike Morris）一同，開端用正統的廣義相對論常識對蟲洞物理學翻開研討，并在兩年后發布了研討論文。這篇論文宣布在《美國物理雜志》（American Journal of Physics）上，標題是“時空中的蟲洞及它們在星際游覽中的使用：教學廣義相對論的東西”（Wormhole in spacetime and their use for interstellar travel： A tool for teaching general relativity）。

 

這張圖片來自索恩的蟲洞論文，直線標明蟲洞的一個進口在時空中的軌道（國際限），曲線是蟲洞的出口在時空中的軌道。國際限上的阿拉伯數字標明出口與進口當地的時刻。

蟲洞是銜接出口與進口的一個地道，在索恩的蟲洞模型中，蟲洞很短，穿越這個蟲洞所需求的時刻能夠近似為零。在這種狀況下，當一個人從蟲洞的進口進入，再從蟲洞的出口出來，隨后他在沿著蟲洞回來進口，他有或許穿越到自己的曩昔，這將引起祖父悖論。

索恩與他的學生在論文中提出的觀念大致是這樣的：愛因斯坦的引力場方程的左面是空間曲率，而右邊是能量動量張量。對愛因斯坦引力方程的剖析標明，要想發生可穿越的蟲洞，引起這種時空曲折的物質所對應的能量動量張量有必要違背均勻類光能量條件。也便是說，想要制造出一個人類能夠往復穿越的蟲洞，有必要耗費巨大的負質量物質來撐住這個地道——不然這個地道很簡略“塌方”。依據愛因斯坦的狹義相對論，質量與能量是等價的，所以負質量意味著負能量——但國際中底子就不存在大規模的負能量，所以要想翻開可穿越的蟲洞似乎是不行能的。

依據廣義相對論，違背均勻類光能量條件是一切可穿越蟲洞的先決條件。換句話說，假設要想穿越蟲洞，相當于要求經過蟲洞的類光測地線（也便是以光速運動的粒子）不能在蟲洞里會聚，而這需求用到印度的一位聞名物理學家瑞查德符里（Amal Kumar Raychaudhuri）提出的方程。經過瑞查德符里的方程能夠看出，在蟲洞中，光線只要在物質場的能量動量張量違背均勻類光能量條件下才不會撞上奇點——在這種狀況下，聚集在蟲洞一端的光線在脫離蟲洞的另一端時會散開，這樣才干夠順暢從蟲洞中逃出來。

可是，這個國際上不存在違背均勻類光能量條件的物質。因而，在這個意義上，蟲洞就算能由于量子效應瞬間發生，也往往會自毀。正由于蟲洞天生就喜愛自我坍塌，所以到了后來，索恩也感覺到蟲洞很難完成，乃至不行能存在，所以他說“蟲洞需求有高檔文明有意識的去發明和保持。”隨后，索恩就去研討引力波了。

新蟲洞研討：不行穿越的蟲洞等價于量子羈絆

最近幾十年來，索恩把愛好點從蟲洞研討搬運到了引力波勘探，并且在2017年由于人類初次勘探到引力波獲得了諾貝爾物理學獎。

但蟲洞的研討并沒有中止。并且，蟲洞研討的基本思想在近10年現已發作了很大的改動。

蟲洞研討的新思想來歷能夠歸納為一個物理公式，那便是由普林斯頓高級研討院的胡安·馬爾達西那（Juan Maldacena）和斯坦福大學的倫納德·薩斯坎德（Leonard Susskind）在2013年提出的“ER = EPR”。這個公式第一次把蟲洞與量子羈絆聯絡在了一同。

ER 的全稱為 Einstein-Rosen（愛因斯坦-羅森）橋，這在本文一開端咱們現已提到過。這是愛因斯坦和納森·羅森（Nathan Rosen）在研討廣義相對論方程時提出的一種不行穿越的蟲洞。

而 EPR 則是 Einstein-Podolsky-Rosen（愛因斯坦-波多爾斯基-羅森）這三位科學家的名字的首字母縮寫。波多爾斯基（Boris Podolsky）是一名俄籍美國物理學家。EPR 在物理中描繪的是一對彼此羈絆的粒子。

原本，ER與這 EPR兩個概念風馬牛不相干，由于愛因斯坦-羅森橋是描繪大標準微觀現象的廣義相對論的產品，而 EPR 對則是對微觀國際的量子羈絆行為的描繪，并且量子羈絆在大標準上很簡略由于退相干而消失。

但到了2013年，曾因提出ADS/CFT對偶理論而名聲大噪的馬爾達西那與薩斯坎德拋出了重磅炸彈“ER = EPR”。假設把黑洞視為量子體系而不是經典物體，那么就或許呈現由兩個高度羈絆的黑洞組成的體系。對這種羈絆態進行細心研討，就會發現這種羈絆態對應的時空能夠當作一個不行穿越的蟲洞銜接了兩個黑洞，這便是“ER = EPR”的真實意義。

繪圖：Malcolm Godwin

值得注意的是，ER與EPR 這兩篇論文的作者里，都有愛因斯坦和羅森，并且都是在1935年宣布的，前后相差2個月。愈加令人驚奇的是，80年后，馬爾達西那與薩斯坎德發現，這兩篇文章本質上說的是同一件工作。他們估測，任何一對羈絆量子體系都是由愛因斯坦-羅森橋（不行穿越蟲洞）銜接的。

在ER=EPR的基礎上，哈佛大學的丹尼爾·賈弗里斯（Daniel Jafferis）與高蘋，以及來自斯坦福大學的阿倫·沃爾（Aron Wall）開端了新蟲洞研討。高蘋是一位年青的我國科學家，他從清華大學物理系結業后，就去了哈佛大學物理系攻讀博士學位。

賈弗里斯、高蘋以及沃爾提出的蟲洞計劃與索恩的不同，前者的新蟲洞不適合長間隔的星際游覽，由于他們所描寫的蟲洞銜接的是兩個間隔很近的黑洞。并且，“穿過這些蟲洞比直接游覽更慢”。他們對長間隔的星際游覽持失望情緒。

新蟲洞是怎樣發生的？

但有一點是能夠必定的，那就想要翻開可穿越的蟲洞，有必要有很多的負質量。問題的關鍵在于，負質量物質從什么地方來。

負質量在經典物理學的意義上是不行能呈現的，可是，量子力學卻能夠發生負質量。最聞名的比方是卡西米爾效應——比方兩塊平行金屬板之間的電磁真空狀況，理論與試驗成果都標明，金屬板之間的真空態具有負能量，這被稱為卡西米爾能量。這種負能量能夠被視為負質量。因而，卡西米爾效應闡明，量子力學能夠完成負質量，并有助于發明一個可穿越的蟲洞。正如前文描繪的那樣，可穿越蟲洞的技術細節是要得到一個違背均勻類光能量條件的能量動量張量，換句話說，可穿越蟲洞的保持要求具有負的均勻類光能量的物質場（由于依據愛因斯坦的廣義相對論，物質場引起時空的曲折）。

 

三年前，賈弗里斯、高蘋與沃爾研討了兩個永久的BTZ黑洞鴻溝的彼此效果之后，他們發現了在這兒能夠發生一個具有負均勻類光能量的量子物質能量動量張量，這個狀況等價于呈現了負質量，所以其反引力效果能夠使愛因斯坦-羅森橋牽強可穿越（BTZ黑洞是一種反德西特時空中的二維黑洞，但他們的定論對三維空間中的黑洞相同建立）。這時，蟲洞便是可穿越的，假設一個人跳進一個黑洞，他能夠從另一個黑洞逃脫。

高蘋在承受采訪時說，“量子羈絆等價于不行穿越的蟲洞，但加上負質量物質后，這個蟲洞就變得可穿越了。所以兩個黑洞實際上在視界之后是銜接起來的。假設一個人跳進第一個黑洞的時分速度足夠快，那么它實際上很挨近第二個黑洞的視界，盡管這個人還在黑洞里邊。然后，咱們用量子的彼此效果發生負能量的物質，當這個負能量的物質進入黑洞的時分，在黑洞里的人一旦碰到負能量物質，他就能夠被推出來。”

高蘋著重，盡管這兩個黑洞在空間上的間隔很近，但實際上銜接它們的蟲洞十分長。

新蟲洞不會“超光速”，但能夠逃避星際戰役

在傳統的蟲洞研討中，一個中心的問題在于，假設一個人穿越蟲洞的時刻太短，而在空間上移動很大的間隔。比方在1秒鐘內從地球穿越到了銀河系中心，那么這在外部國際看來便是超光速的運動。這種穿越行為必定會違背相對論的因果性，最終發生悖論。

1988年，索恩證明了假設蟲洞很短，那么人就經過蟲洞回到曩昔。這是一個十分風趣的成果，但這會引發悖論。由于假設經過蟲洞的時刻很短，那么依據簡略的狹義相對論就能夠證明使用蟲洞就能夠做出時刻機器回到曩昔，但這個時分會發生因果性的問題，比方一個人能夠回到曩昔殺了祖父，這樣就會發生“祖父悖論”。

“祖父悖論”說的是，假設一個叫小王的人能夠回到曩昔，那么他就能夠殺死自己的爺爺，其時他爺爺還僅僅一個兒童，沒有成婚生子，所以小王的父親就不會出世，因而小王沒有父親，小王也不能出世，那他又是怎樣回到曩昔殺死自己的爺爺的呢？因而這是一個悖論。這個悖論闡明，回到曩昔是不行能的。

因而，從祖父悖論這種邏輯推理能夠看出，可穿越的蟲洞就算存在，也必定要防止發生祖父悖論這樣的因果性疑問。

賈弗里斯、高蘋和阿倫·沃爾的理論是經過一些量子效應，使得不行穿越的蟲洞變得能夠穿越，但他們的新蟲洞并沒有損壞因果性，由于在他們的模型中，蟲洞十分長，在蟲洞里游覽需求花費很長的時刻——由于在蟲洞中穿行的時刻比在蟲洞外更長，所以這不會引起祖父悖論。

高蘋在承受采訪時標明，“兩個黑洞能夠由蟲洞銜接，這兩個黑洞之間的間隔很近，一起它們之間存在很強的量子羈絆。咱們的研討標明，銜接這兩個黑洞的蟲洞十分長，人類在這個蟲洞中游覽需求花費很長的時刻，所以在蟲洞中逃避星際戰役是或許的。”

因而，新蟲洞并不是做星際游覽的最佳挑選，相反，新蟲洞能夠被當作是一個世外桃源，是一個能夠長時刻呆在里邊逃避外部星際戰役的桃花島。