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爱因斯坦虫洞理论

2015-10-30  ldjsld

作为爱因斯坦广义相对论一个推导结果,虫洞不仅给我们提供了穿越星际的便捷途径,而且还可能变成时间机器允许我们回到过去。

“人类诞生在地球上。这从不意味着要灭亡于此。”

在很久的未来,农作物无法种植使得地球不再适宜居住。而人类将不得不穿越星际,去深空之中寻找新的家园。

上面所说的是2014年的科幻电影《星际穿越》所讲述的故事。不过在现实中,离开太阳系进入星际空间其实非常困难。举例来说,太空探测器旅行者1号在1977年升空,到现在它才抵达太阳系的边缘。

那么有没有便捷途径呢?爱因斯坦的广义相对论给了我们希望,其理论所预言的虫洞就是通往星际空间的便捷通道,而该片中的宇航员就是利用虫洞来实现星际穿越的。

广义相对论是爱因斯坦研究时空与引力关系的理论,它革新了牛顿时代的静止时空观,认为时间和空间并不是静止不变的,而是可以变化和弯曲的。令爱因斯坦没想到的,相对论不仅引起了我们时空观的一场革命,而且预言了宇宙中一系列奇异事件或现象——宇宙大爆炸、时间旅行、暗能量、以及黑洞和虫洞。我们可以说,这些新发现是属于广义相对论的,属于爱因斯坦的。

爱因斯坦虫洞理论,UFO中文网

虫洞究竟是什么样子?

1935年,爱因斯坦与他的好友、美籍以色列裔物理学家纳森·罗森,在研究引力场方程时发现,对于弯曲时空来说,在理论上可以有一个连接宇宙中两个遥远地点的捷径。这就像一座山的两端可以通过隧道进行连接一样。

但宇宙中的虫洞可不像山底的隧道那么容易开凿,自从虫洞这个概念提出几十年来,顶尖的理论物理学家们对其的探讨仍然是纸上谈兵阶段,不像宇宙大爆炸、黑洞这样的现象已经被观测所证实。不过,随着思考的日益深入,关于虫洞的细节逐渐丰富起来。

假设宇宙中有一个虫洞,它会是什么样子呢?其实非常简单。它有两个洞口,例如有一个在地球附近,另一个在约26光年远的织女星附近。两个洞口通过在高维空间中延伸的隧道相连。这个隧道可以非常短,例如只有1千米,所以如果我们通过虫洞从地球抵达织女星,我们就可把路途从26光年缩减为1千米。所以说,虫洞可以成为宇宙中的快捷通道。

具体的模样如下图所示。注意这里是把我们的宇宙空间画成了二维而不是三维。这种把三维镶嵌到二维上的图示被物理学家称为镶嵌图。我们并不太清楚现实中宇宙是否会像图中那样弯曲,不过只有这样虫洞才可能缩短旅途的距离。

虽然虫洞可以缩短旅途的距离,但并不是超越了光速。例如,你通过虫洞从地球抵达织女星,很显然比穿过虫洞外的时空抵达的光线还要快,但是你在穿越虫洞时相对虫洞的速度是不能超过光速的。

另外,虫洞并不总是缩短时空的距离,有时洞内的路程会大于洞外的路程。如下图。

在现实的三维空间中,虫洞看起来并不像一个隧道或一座桥,因为你只能看到它的洞口,而它的隧道是在四维空间里延伸,你无法直接看到隧道的模样。其中,洞口看起来像一个巨大的玻璃球,如下图:


爱因斯坦虫洞理论,UFO中文网

虫洞不是黑洞


在上面图中,你可以很明显地看到洞口的边界(箭头所示)。注意这里的任何光都不是来自虫洞本身。其中,边界外的边缘扭曲的图像是虫洞的洞口扭曲了周边星系传播过来的光线。这种现象被称为引力透镜。边界内则是洞口另一端的宇宙传播过来的扭曲图像。


许多人都认为虫洞不过是另一种黑洞而已,但这种观点是错的。其中的一个区别是,黑洞都有一个事件视界(一种任何物质进去之后有去无回的边界),而并不是每个虫洞都具有事件视界。有一些虫洞具有事件视界,但并不是像黑洞那样是因为存在一个密度无穷大的奇点,而是因为虫洞的隧道内引力引起的潮汐力过于强大。虫洞和黑洞另一个区别是,虫洞有两个洞口并通过一个隧道相连,而黑洞只有一个洞口,洞口的尽头是一个死胡同,任何物质掉进黑洞都会最终撞上内部的奇点。

下面的图示简要地表明了虫洞和黑洞之间的差别。图中的白线代表普通的时空,红线代表黑洞内部的时空,其中的红点代表奇点。

爱因斯坦虫洞理论,UFO中文网

不止一种虫洞

另外很重要的事实,是虫洞不只有一种。一种分类虫洞的方法是虫洞的隧道是否是基本稳定的,还是不稳定的(例如隧道不断地开启然后闭合)。第二种分类方式是,需要多少物质才能创造出生成虫洞的引力场,一种只需要行星质量的,而有一些需要好几倍恒星质量。另外,虫洞隧道的潮汐力的大小也是一种分类虫洞的办法。

接下来的我们来阐述两种虫洞。一种是史瓦西虫洞,它是一种不稳定的虫洞。另一种是稳定的虫洞,它允许物质穿过它,所以也可以说是一种可穿行的虫洞。


爱因斯坦虫洞理论,UFO中文网

不同的时空与史瓦西虫洞

物理学家首先提出来的虫洞是史瓦西虫洞,它是广义相对论中爱因斯坦方程其中一个解的产物。

在研究爱因斯坦方程的过程中,物理学家发现除了时空中存在黑洞以外,还必须存在白洞。而白洞正好是黑洞的时间反演,里面的任何物质都会向外运动,穿过它的边界(也称为事件视界)之后就再也无法回到内部。除了黑洞和白洞这两个时空区域,还得有另外两个彼此完全隔离的时空区域,称为两个不同的“宇宙”。这两个宇宙与黑洞和白洞的关系如下:白洞中的任何粒子和信号都可以进入这两个宇宙,但都无法返回到白洞里;两个宇宙中的任何粒子和信号都可以进入黑洞,但都无法在从黑洞中逃离,只能撞上黑洞内的奇点上;两个宇宙彼此完全隔离,也就是它们之间没有任何信息可以交流。所有四个区域可以由下左的时空图来表示。

下左的时空图是在一种特殊坐标系下的时空图,图中的每一个点代表着一个二维球面。两条对角线代表事件视界,它们把时空分成了四个区域:I和IV分别代表两个彼此隔离的宇宙,II代表黑洞,III代表白洞。奇点出现在黑洞和白洞区域,以双曲线的形式表示。(你可能注意到了白洞内部也有个奇点,这个很好理解:许多物理学家认为宇宙大爆炸其实就是一个白洞,而奇点就是大爆炸之前的那个密度无穷大的点。)



在电影里呈现虫洞和黑洞

一个白热的物质环围绕着黑洞形成一个球形的大涡流,看起来好像在上面和下面同时弯曲过来。这是影片《星际穿越》中所呈现出的黑洞,它正以接近光速的速度进行着旋转,同时其巨大的引力拖拽着周围的时空并一起运动。而这幅黑洞的影像可以说很接近现实。

几乎不可能的电脑特效

2014年底上映的好莱坞科幻大片《星际穿越》,讲述的是一队探险家利用新发现的虫洞,在广袤的宇宙中进行星际航行的故事。

关于黑洞和虫洞,我们在数学上、或者在科普写作中都有了很多表达,但基于科学理论的、直观的影像呈现,这部影片是第一个尝试的。为了保证银幕上黑洞和虫洞的真实性,影片制作方请来了大名鼎鼎的黑洞和虫洞研究专家基普·索恩作为科学顾问。

电影制作者所提出的故事是在一个遥远的未来,气候变化影响到农业,大部分农作物无法种植,地球上只剩下玉米一种粮食可以种植,人类处在灭绝的边缘。一位退役的宇航员被征召来进行最后一次的飞行,一个不顾一切的尝试,去寻找新的可适宜居住的星球来拯救人类的命运。

然而我们都知道,其他的恒星离地球都非常非常远,距离最近的比邻星离我们大约有4.22光年,而远的可达数百亿光年。即使以接近光的速度去抵达比邻星,都要花费好几年的时间,更遑论其它星球?那么,怎样才能实现真正的星际旅行呢?其实早在1983年,著名科普作家卡尔·萨根所写的小说《接触》(后来拍成了电影《超时空接触》)就面临着同样的问题,当萨根把这个困惑告诉好友索恩时,索恩认为人类真要想进行星际旅行,只能走捷径、抄近道,他建议可以利用虫洞,一个通过高维时空来连接宇宙中两个点的假想的快捷通道。

如今,《星际穿越》中的宇宙航行仍然需要虫洞。不过这次,作为《星际穿越》执行制片人的索恩得需要帮助电影制作者们解决一个很具体的难题——如何科学准确地在银幕上呈现出虫洞。

这并不是电影特效团队所头疼的唯一物理学问题。《星际穿越》的故事是基于时间膨胀效应——时间对于不同角色来说流逝的速度不一样。为了使电影中时间膨胀效应变得更加科学合理,索恩认为需要一个大质量的黑洞——在电影里被叫做“卡冈图雅”——并以接近光速来旋转。作为这部影片的导演,克里斯托弗·诺兰完全不知道黑洞是什么样子。好在有索恩的帮助,《星际穿越》呈现出了一个与现实十分接近的虫洞和黑洞。

爱因斯坦虫洞理论,UFO中文网

极为壮美的虫洞和黑洞

《星际穿越》拥有一个超过30名电脑专家的电脑特效团队,这个团队的带头人富兰克林曾获得过奥斯卡最佳视觉效果奖。现在为了制作出完美的银幕效果,他们搬来了数千台电脑,在索恩的指导下,开始了黑洞和虫洞的银幕制作。

虫洞和黑洞的呈现都跟其附近光的弯曲有关,因为黑洞和虫洞都具有巨大的引力,经过其附近的光线不可避免发生弯曲。以前的电影制作人通常用一种被称为“光线跟踪”的技术来处理宇宙科幻大片中的光线和反射,但这种光线跟踪软件通常的合理假设是光线总是走直线的,而黑洞和虫洞,是宇宙中的极端现象,光线是要走弯路的。因此,电脑特效团队不得不重新编译一个新的渲染软件,他们请求索恩算出一些方程来使得他们的特效软件如同真实的物理定律那样描述世界。

索恩把答案给了富兰克林,不过是以大量的研究备忘录形式给了他们。文章十分长,来源详实,充满了公式,它们看起来更像学术论文。电脑特效团队根据这些公式编写进新的渲染软件里,然后开始去“纺织”出虫洞。当结果呈现出来后,它看起来像一个在宇宙映照出的水晶球,一个时空中的球形洞。

在成功地表现出虫洞之后,特效团队准备尝试用同样的办法去处理黑洞。但是黑洞如同它的名字一样,是光线的末日——所有的光线都会被黑洞吞噬。连光线都没有了,如何才能生动地呈现出黑洞?事实上,一个最普通的黑洞看起来就像一个漆黑的盘子,唯一有趣的地方是它扭曲了周围星空的背景图像。诺兰十分希望特效团队能把黑洞是球形的体现出来,富兰克林想到,可以把黑洞套上一个吸积盘(一种由弥散物质组成的、围绕黑洞转动的盘状结构)。

根据索恩的公式,特效团队尝试着做了一个不太准确的样本。他们制作了一个水平的多彩光环——一种类似吸积盘的图像,然后把它放在电脑里的旋转黑洞上。一个非常非常奇怪的事情发生了——在根据数学方程精心制作出来的软件中,黑洞周围弯曲的空间同时也弯曲了吸积盘,光线产生了以个非同寻常的光圈。

最终的效果终于出来了:当光线被困在黑洞周围时,在黑洞的黑影周围产生令人意想不到的复杂图案——白热的吸积盘出现在黑洞的上面、下面和前面,它看起来就像是一个碟子,那是星光弯曲造成的图像(见上图)。

基普·索恩看了看在他帮助下制造出的黑洞,然后想了想说,“那就对了,那就是它该有的模样。”电影特效最终呈现的图像,正是索恩所认为的最真实的黑洞图像,而对于那些《星际穿越》的观众来说,他们看到电影中的这些影像——虫洞、黑洞以及怪异的光线后,会说,“哇噢!那个真美。”

是的,它们不仅美丽,而且还很真实。

为艺术而做的妥协

最后,我们要强调一下,尽管《星际穿越》里的黑洞是很真实地展现出来了,但严格来说并不是真正的精确。事实上一些其他的效应被忽略了。如果把它们都考虑进去的话,旋转黑洞的吸积盘的一侧会更亮且呈现蓝色,另一侧则更暗且呈现红色。最终,吸积盘看起来很不对称。但是电影特效团队认为这可能会导致广大电影观众一头雾水,而且缺乏震撼性,所以为了艺术性,他们忽略了这个效应。

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