宇宙弦+黑洞,搭建可以穿越的虫洞!

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  虫洞,你许多由广义相对论预言的奇特特征,是连接光阴中相距遥远的一4个区域的捷径,许多寄托了所以人实现光阴旅行的梦想。不过,目前科学家从未证实过虫洞的处于,更都是而是从虫洞中穿越了。

  近日,加州大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,大伙构造了一4个可穿越虫洞的新模型。根据大伙的研究,曾经的虫洞都才能在宇宙学常数等于0的光阴中处于。

  拓扑宇宙监督原理

  在Grado-White等人的论文中,大伙首先论证了可穿越虫洞在一般的光阴中是不处于的,而这肩上用到的物理原理是“拓扑宇宙监督原理”(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原理的论文,你许多原理都才能认为是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,一4个旋转的带电黑洞不必可能 旋转得太快,不可能 巨大的旋转角波特率会让被黑洞视界寄包囊 的奇点裸露出来,而这是违反相对论因果性的。但彭罗斯不都才能从数学物理的角度来证明你许多猜想,于是他认为,须要一4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等人继续提出了拓扑宇宙监督原理。要理解这项原理,大伙首很难了解类光能量条件(null energy condition)。

  在光阴中,光子的轨迹是两根类光曲线,这条曲线在光阴中的每许多都一4个多切矢量,记作类光矢量(k)。另外,爱因斯坦的引力方程中,有刻画物质信息的能量动量张量(T)。T是2阶张量,都才能看成一4个矩阵;而k是一4个矢量,都才能看成是一4个列向量。许多,当T与一4个k相乘,得到一4个数。对于所有普通的物质,你许多数是大于等于0的,这而是类光能量条件:

  根据拓扑宇宙监督原理,不可能 宇宙中的物质的能量动量张量不破坏类光能量条件,没办法 光阴不都才能有特殊的拓扑特征。也而是说,光阴在拓扑上应该等价于四维欧氏空间、四维球面等简单的几何体,而不应该跳出相似自行车内胎曾经的奇怪拓扑特征。而可穿越虫洞,就属于一种奇怪的拓扑。所以,根据拓扑宇宙监督原理,在正常的光阴中,可穿越虫洞不必处于。

  须要违反类光能量条件

  没办法 ,什么就让 虫洞都才能处于,而能被物质所穿越呢?

  虫洞作为一种光阴的拓扑特征,是受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,而右边是能量动量张量。

  可穿越虫洞的处于,一4个多基本原则,那而是物质场的能量动量张量须要违反类光能量条件。

  任何一4个的可穿越虫洞,须要有违反类光能量条件的“负能量”来支撑。换句话说,不可能 一群光子你可不可以 穿越虫洞,没办法 这群光子对应的测地线不都才能在虫洞里汇聚,这须要用到印度的著名物理学家瑞查德符里(Amal Kumar Raychaudhuri)提出的方程。

  研究虫洞理论的哈佛大学物理学博士高苹告诉《环球科学》:“通过瑞查德符里的方程都才能看出,在虫洞中,光线不都才能在物质场的能量动量张量违反类光能量条件下,才不必撞上奇点——在你许多清况 下,聚焦在虫洞一端的光线在背叛虫洞的另一端都是散开,曾经才都才能从虫洞中逃出来。”

  许多,拓扑宇宙监督原理与瑞查德符里方程都指向同一4个结论:“要想穿越虫洞,须要要有违反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,大伙就在此基础上,构造了一4个可穿越的虫洞。

  首先,大伙须要一4个带电黑洞,许多你许多4个黑洞的电荷是相反的。也而是说,其中一4个黑洞带正电,曾经黑洞带负电。(人太好曾经的带电黑洞在现实宇宙中不常见,但理论上它都才能在宇宙学常数等于0的正常光阴中处于)为何要让黑洞携带电荷?这是不可能 带电黑洞外部的奇点都才能被拉伸扭曲,从而形成一座通向曾经带电黑洞的桥,你许多桥而是科学家梦寐以求的虫洞的雏形。

  许多,有了虫洞的雏形还是过低的。不可能 带电黑洞之间处于万有引力和电磁力,什么力都是相互吸引的,它们会让一4个黑洞相互靠近,这就不都才能构发明者家 一4个稳定的虫洞。

  没办法 ,怎么可不可以才能让虫洞稳定下来呢?大伙想到了宇宙弦。

  宇宙弦是一4个来自弦论的理论模型,都才能被看成是大爆炸就让 的光阴特征被冰冻时形成的奇异物体,具有很强大的张力(弹性)。早期宇宙中跳出的弦不可能 随宇宙膨胀而放大,没办法 就不可能 成为尺度很大的宇宙弦。你许多宇宙弦都才能长达几万光年,成为连接一4个黑洞的管道。在Grado-White等人的论文中,大伙用到了两根宇宙弦。

  如下图所示,浅绿色的宇宙弦是一4个闭弦,都才能振动起来产生负能量。大伙计算了什么负能量对光阴几何的影响,发现它的确都才能正确处理虫洞坍塌。而黑色的宇宙弦是一4个开弦,它连接了一4个带电黑洞的端口,依靠宇宙弦巨大的张力阻止一4个黑洞相互靠拢。

  你许多正确处理方案使得虫洞不但稳定,许多都才能被穿越。穿越你许多虫洞所大概的时间,大致与距离与光速的商在同一4个量级,所以,这是一4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,穿越的时间则要长所以,曾经的永久虫洞都是而是适合星际旅行,只适合用来躲避星际战争。

  就让 的可穿越虫洞研究大多都与反德西特光阴(宇宙学常数为负数)有关,而最新的研究构造了一种在宇宙学常数为0的光阴中都才能处于的可穿越虫洞,这使得整个研究看起来人太好更符合实际。