宇宙弦+黑洞,搭建可以穿越的虫洞!

宇宙弦+黑洞,搭建可以穿越的虫洞!
2019年08月30日 09:25 新浪科技综合

  来源:全球迷信

  虫洞,这类由狭义相对论预言的独特构造,是连接时空中相距悠远的两个区域的捷径,是以依附了很多人完成时空观光的妄图。不过,今朝迷信家从未证明过虫洞的存在,更不消说从虫洞中穿越了。

  近日,加州大年夜学圣芭芭拉分校的付子操、Brianna Grado-White和Donald Marolfa在预印本文库网站发了两篇论文,他们构造了一个可穿越虫洞的新模型。根据他们的研究,如许的虫洞可以在宇宙学常数等于0的时空中存在。

  拓扑宇宙监督道理

  在Grado-White等人的论文中,他们起首论证了可穿越虫洞在普通的时空中是不存在的,而这眼前用到的物理道理是“拓扑宇宙监督道理”(Topological censorship)。

  早在1993年,物理学家J。 L。 Friedman、K。 Schleich和D。 M。 Witt等人就发表了拓扑宇宙监督道理的论文,这一道理可以认为是1969年相对论专家彭罗斯提出的“宇宙监督猜想”(cosmic censorship hypothesis)的延续。

  宇宙监督猜想指出,一个改变的带电黑洞弗成能改变得太快,由于巨大年夜的改变角速度会让被黑洞视界包裹的奇点裸显现来,而这是背背相对论因果性的。但彭罗斯不克不及从数学物理的角度来证明这个猜想,因而他认为,须要一个像上帝一样的“宇宙监督”来禁止黑洞裸露奇点。

  到了1993年,宇宙监督猜想还没被证明,但J。 L。 Friedman、K。 Schleich和D。 M。 Witt等人持续提出了拓扑宇宙监督道理。要懂得这项道理,我们起重要懂得类光能量条件(null energy condition)。

  在时空中,光子的轨迹是一条类光曲线,这条曲线在时空中的每点都有一个切矢量,记作类光矢量(k)。别的,爱因斯坦的引力方程中,有描述物质信息的能量动量张量(T)。T是2阶张量,可以算作一个矩阵;而k是一个矢量,可以算作是一个列向量。是以,当T与两个k相乘,取得一个数。关于一切浅显的物质,这个数是大年夜于等于0的,这就是类光能量条件:

  根据拓扑宇宙监督道理,假设宇宙中的物质的能量动量张量不破坏类光能量条件,那么时空不克不及有特别的拓扑构造。也就是说,时空在拓扑上应当等价于四维欧氏空间、四维球面等简单的几何体,而不该该出现类似自行车内胎如许的奇怪拓扑构造。而可穿越虫洞,就属于一种奇怪的拓扑。所以,根据拓扑宇宙监督道理,在正常的时空中,可穿越虫洞不会存在。

  必须背背类光能量条件

  那么,甚么时辰虫洞可以存在,而能被物质所穿越呢?

  虫洞作为一种时空的拓扑构造,是遭到爱因斯坦引力场方程限制的。爱因斯坦引力场方程的左边是空间曲率,而左边是能量动量张量。

  可穿越虫洞的存在,有一个基来源基本则,那就是物质场的能量动量张量必须背背类光能量条件。

  任何一个的可穿越虫洞,必须有背背类光能量条件的“负能量”来支撑。换句话说,假设一群光子想要穿越虫洞,那么这群光子对应的测地线不克不及在虫洞里会聚,这须要用到印度的有名物理学家瑞查德符里(Amal Kumar Raychaudhuri)提出的方程。

  研究虫洞实际的哈佛大年夜学物理学博士高苹告诉《全球迷信》:“经过过程瑞查德符里的方程可以看出,在虫洞中,光线只要在物质场的能量动量张量背背类光能量条件下,才不会撞上奇点——在这类情况下,聚焦在虫洞一真个光线在分开虫洞的另外一端时会散开,如许才可以从虫洞中逃出来。”

  是以,拓扑宇宙监督道理与瑞查德符里方程都指向同一个结论:“要想穿越虫洞,必须要有背背类光能量条件的负能量!”

  用宇宙弦构造可穿越虫洞

  在Grado-White等人的论文,他们就在此基本上,构造了一个可穿越的虫洞。

  起首,他们须要有两个带电黑洞,并且这两个黑洞的电荷是相反的。也就是说,个中一个黑洞带正电,另外一个黑洞带负电。(固然如许的带电黑洞在实际宇宙中不罕见,但实际上它可以在宇宙学常数等于0的正常时空中存在)为甚么要让黑洞携带电荷?这是由于带电黑洞外部的奇点可以被拉伸歪曲,从而构成一座通向另外一个带电黑洞的桥,这个桥就是迷信家梦寐以求的虫洞的雏形。

  然则,有了虫洞的雏形照样不敷的。由于带电黑洞之间存在万有引力和电磁力,这些力都是相互吸引的,它们会让两个黑洞相互接近,这就不克不及构造出一个稳定的虫洞。

  那么,若何才能让虫洞稳定上去呢?他们想到了宇宙弦。

  宇宙弦是一个来自弦论的实际模型,可以被算作是大年夜爆炸今后的时空构造被冰冻时构成的奇怪物体,具有很强大年夜的张力(弹性)。早期宇宙中出现的弦假设随宇宙收缩而缩小年夜,那么就可以够成为标准很大年夜的宇宙弦。这类宇宙弦可以长达几万光年,成为连接两个黑洞的管道。在Grado-White等人的论文中,他们用到了两根宇宙弦。

  以下图所示,蓝色的宇宙弦是一个闭弦,可以振动起来产生负能量。他们计算了这些负能量对时空几何的影响,发明它实在其实可以防止虫洞坍塌。而黑色的宇宙弦是一个开弦,它连接了两个带电黑洞的端口,依附宇宙弦巨大年夜的张力阻拦两个黑洞相互靠近。

  这个处理筹划使得虫洞不只稳定,并且可以被穿越。穿越这个虫洞所要花费的时间,大年夜致与间隔与光速的商在同一个量级,所以,这是一个“不快不慢”的虫洞。而在马尔达西纳等人提出的永久虫洞里,穿越的时间则要长很多,如许的永久虫洞其实不合适星际观光,只合实用来躲避星际战斗。

  之前的可穿越虫洞研究大年夜多都与反德西特时空(宇宙学常数为正数)有关,而最新的研究构造了一种在宇宙学常数为0的时空中可以存在的可穿越虫洞,这使得全部研究看起来其实更符合实际。

黑洞虫洞搭建
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