红豆居士 / 宇宙探索 / 虫洞是否真的存在?时空旅行是否真的可以...

0 0

   

虫洞是否真的存在?时空旅行是否真的可以实现?

2016-10-08  红豆居士

虫洞是否真的存在?时空旅行是否真的可以实现?

虫洞是否存在?如有,是什么维持它?

虫洞,学名爱因斯坦-罗森桥,是连接时空上两个点的捷径,超光速旅行和回到过去的热门候选方法,也是科幻小说中长盛不衰的话题。微观尺度上的虫洞在量子真空中不断出现,消失。但是,这样的微型虫洞十分微小,只能让基本粒子通过,所以这样的虫洞对于一心想要跨越星系,穿梭时空的人类来说说,没有实际的用处。

虫洞是否真的存在?时空旅行是否真的可以实现?

图片来自Interstellar is REAL:

Boffins create WORMHOLE in a lab

要创造宏观尺度的虫洞并且让它保持稳定,我们需要负能量

虫洞是否真的存在?时空旅行是否真的可以实现?

当然不是这种负能量。

负能量(negative energy)是一种奇特的能量。不过在介绍什么是负能量之前,我们需要先了解什么不是负能量。

负能量不是反物质。基本粒子都有对应的反粒子,相遇时会互相湮灭。比如正电子和电子湮灭时,会变成伽马射线。负能量也不是暗能量。暗能量是一种充斥于宇宙空间的能量,它以负压力的方式推动宇宙加速膨胀,但是却对制造虫洞无能为力。无论反物质还是暗能量,它们都是正能量。

那么什么是负能量呢?

宏观上看,真空中一无所有。但是如果你凑近了看,却会发现这其实是一片活跃的量子海洋。粒子-反粒子对不停地凭空出现,然后湮灭消失。就像你从飞机上看风平浪静的大海,不会看见任何起伏。但是当你降落到海面,却会发现海面有波浪,还有泡沫。

虫洞是否真的存在?时空旅行是否真的可以实现?

在很短的时间内,能量并不守恒。量子泡沫从空间中借来能量,只要很快归还,大自然一点都不在乎。但是,如果我们有办法让这片喧嚣的海洋平静下来,真空就会表现出负能量。

在著名的卡西米尔效应中,我们就可以看到负能量的蛛丝马迹。

虫洞是否真的存在?时空旅行是否真的可以实现?

图片来自Casimir effect

在这个试验中,两块距离很近的平行金属板限制了它们之间的量子波动,使得金属板之间的量子波动小于金属板外的空间,这样外面的量子波动对金属板产生了向内的推力。你也可以把它看成金属板内的空间产生了吸引力,让两块金属板互相靠近。如果我们认为外部空间的平均能量密度是0的话,两块金属板之间就出现了负的能量密度。

另一个可以看到负能量的地方是黑洞。霍金在上世纪70年代提出了黑洞辐射理论。当一个粒子-反粒子对在黑洞视界边缘从真空中蹦出来,正打算度过它们短暂的一生,然后相互拥抱,重归虚无的时候,黑洞用它强大的引力打断了这一过程。于是,一个粒子掉进了黑洞的无底深渊,而另一个却得到了足够的能量,逃离了黑洞。这样,一个粒子(一份能量)就凭空产生了。基于能量守恒,掉进黑洞的那一个粒子必须带有负能量。吃掉这个负能量的黑洞质量反而变小了。长此以往,黑洞越来越小,最后在一道闪光中烟消云散。

虫洞是否真的存在?时空旅行是否真的可以实现?

图片来自Black Hole Evaporation (page 3)

让我们重新回到虫洞的话题。虫洞虽然寄托了我们超越光速的梦想,但是却可望而不可及。物理学家约翰·惠勒和罗伯特·富勒在1968年提出,大型黑洞无法保持稳定。和黑洞一样,虫洞也是一种极致的时空弯曲。它会在引力的作用下迅速崩溃,在它转瞬即逝的生命中,连光都来不及穿过去。

不过不要急于失望,后来的物理学家们(如基普·索恩)发现,负能量可以帮助虫洞保持稳定由于负能量可以产生排斥的引力,如果把负能量放置在虫洞的通道周围,它就能抵消虫洞自身的引力,防止虫洞坍塌。

不止虫洞,科幻小说中另一个津津乐道的话题——曲率引擎,也离不开负能量的帮助。曲率引擎通过压缩飞船前方的时空,同时扩展后方的时空,制造一个时空泡,让空间推动飞船以超光速运动而要维持时空弯曲,我们需要在飞船周围布置大量负能量。

虫洞是否真的存在?时空旅行是否真的可以实现?

图片来自Wormholes, Time Machines & Warp Drives

那么,怎样才能得到足够的负能量,来实现我们的超光速梦想呢?既然大自然时时刻刻都在整个宇宙范围内大量制造负能量,看起来也并不太稀奇。但是问题在于,我们需要把负能量和正能量分离,单独提取出来。这就走进了物理定律的雷区。

虽然空间中同时存在正能量和负能量,但是它们均匀的混合在一起,处于一种熵值极大的状态。假如我们能有效地把两种能量分开,无疑就降低了真空的熵值。我们得到的能量,可以用来驱动机器——这就是由真空能量驱动的第二类永动机。说到这里你肯定看出来了,从真空中提取负能量的想法违反了热力学第二定律。要想从真空中源源不断的获取能量,我们只能养一只普朗克长度的麦克斯韦妖精,让它在正反粒子对出现的瞬间,拿走其中一个。

大自然非常固执的坚持,负能量必须和正能量混合在一起。一份负能量必定和相应的正能量紧密相随。你想要得到的负能量密度越大,它存在的范围就越小。比如,在卡西米尔效应中,两片金属板距离越近,中间的负能量密度就越高。如果我们用卡西米尔效应的方式制造负能量,它的存在范围比普朗克长度大不了多少,这样的微型虫洞连一个质子都钻不过去。同时,如果你想要负能量和正能量分离的越远,你能得到的负能量就越小。即使你愿意付出正能量作为代价,要取得宏观尺度的负能量也十分困难。

我们可以设想用一个盒子来捕捉负能量。由于负能量总是和正能量混合,我们可以设法在负能量波动进入盒子之后,而伴随它的正能量进入之前关上盒子,这样就得到了分离的负能量。然而,关上盒子这个动作却会在盒子里产生一份正能量,把盒子里的负能量抵消掉,让我们费尽心机的捕捉行动无功而返。

所以,负能量虽然无处不在,但是我们却无法在宏观尺度上获取。同时,要维持虫洞和曲率引擎所需要的负能量却大得惊人(和大行星的质量差不多)。

这个问题让我们对于虫洞和曲率引擎的美好憧憬只能停留在科幻小说,也把人类文明限制在可观察宇宙(甚至太阳系)中,无法迈向无垠的星辰大海。

via:Mandelbrot(知乎)

编辑:Jade


    本站是提供个人知识管理的网络存储空间,所有内容均由用户发布,不代表本站观点。如发现有害或侵权内容,请点击这里 或 拨打24小时举报电话:4000070609 与我们联系。

    猜你喜欢

    0条评论

    发表

    请遵守用户 评论公约

    类似文章 更多
    喜欢该文的人也喜欢 更多