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宇宙弦+黑洞,搭修可以穿越的虫洞!

时间:2019-08-30 10:06:28 根源:新浪科技 评论:0 点击:0
  虫洞,这种由广义相对论预言的奇特构造,是连接时空中相距遥远的两个区域的捷径,于是寄予了许众人完成时空旅游的抱负。不过,目前科学家从未标明过虫洞的保管,更不必说从虫洞中穿越了。

  即日,加州大学圣芭芭拉分校的付子操、Brianna Grado-White和Donald Marolfa预印本文库网站发了两篇论文,他们构制了一个可穿越虫洞的新模子。依据他们的研讨,如许的虫洞可以宇宙学常数等于0的时空中保管。

  拓扑宇宙监视原理

  Grado-White等人的论文中,他们起首论证了可穿越虫洞一般的时空中是不保管的,而这背后用到的物理原理是“拓扑宇宙监视原理”(Topological censorship)。

  早1993年,物理学家J。 L。 Friedman、K。 Schleich和D。 M。 Witt等人就发外了拓扑宇宙监视原理的论文,这一原理可以认为是1969年相对论专家彭罗斯提出的“宇宙监视猜念”(cosmic censorship hypothesis)的延续。

  宇宙监视猜念指出,一个改变的带电黑洞不行够改变得太速,因为庞大的改变角速率会让被黑洞视界包裹的奇点裸表露来,而这是违反相对论因果性的。但彭罗斯不行从数学物理的角度来标明这个猜念,于是他认为,需求一个像天主相同的“宇宙监视”来禁止黑洞裸露奇点。

  到了1993年,宇宙监视猜念还没被标明,但J。 L。 Friedman、K。 Schleich和D。 M。 Witt等人继续提出了拓扑宇宙监视原理。要了解这项原理,我们起首要了解类光能量条件(null energy condition)。

  时空中,光子的轨迹是一条类光弧线,这条弧线时空中的每一点都有一个切矢量,记作类光矢量(k)。另外,爱因斯坦的引力方程中,有描写物质新闻的能量动量张量(T)。T是2阶张量,可以看成一个矩阵;而k是一个矢量,可以看成是一个列向量。于是,当T与两个k相乘,取得一个数。关于通通一般的物质,这个数是大于等于0的,这便是类光能量条件:

  依据拓扑宇宙监视原理,假如宇宙中的物质的能量动量张量不摧毁类光能量条件,那么时空不行有特别的拓扑构造。也便是说,时空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,而不应当呈现相似自行车内胎如许的奇异拓扑构造。而可穿越虫洞,就属于一种奇异的拓扑。以是,依据拓扑宇宙监视原理,平常的时空中,可穿越虫洞不会保管。

  必需违反类光能量条件

  那么,什么时分虫洞可以保管,而能被物质所穿越呢?

  虫洞举措一种时空的拓扑构造,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。

  可穿越虫洞的保管,有一个根来源则,那便是物质场的能量动量张量必需违反类光能量条件。

  任何一个的可穿越虫洞,必需有违反类光能量条件的“负能量”来支撑。换句话说,假如一群光子念要穿越虫洞,那么这群光子对应的测地线不行虫洞里会聚,这需求用到印度的出名物理学家瑞查档利里(Amal Kumar Raychaudhuri)提出的方程。

  研讨虫洞表面的哈佛大学物理学博士高苹告诉《举世科学》:“通过瑞查档利里的方程可以看出,虫洞中,光芒只要物质场的能量动量张量违反类光能量条件下,才不会撞上奇点——这种状况下,聚焦虫洞一端的光芒分开虫洞的另一端时会散开,如许才可以从虫洞中遁出来。”

  于是,拓扑宇宙监视原理与瑞查档利里方程都指向同一个结论:“要念穿越虫洞,必需求有违反类光能量条件的负能量!”

  用宇宙弦构制可穿越虫洞

  Grado-White等人的论文,他们就此根底上,构制了一个可穿越的虫洞。

  起首,他们需求有两个带电黑洞,而且这两个黑洞的电荷是相反的。也便是说,此中一个黑洞带正电,另一个黑洞带负电。(虽然如许的带电黑洞实行宇宙中不常睹,但表面上它可以宇宙学常数等于0的平常时空中保管)为什么要让黑洞带领电荷?这是因为带电黑洞内部的奇点可以被拉伸扭曲,从而变成一座通向另一个带电黑洞的桥,这个桥便是科学家朝思暮念的虫洞的雏形。

  可是,有了虫洞的雏形照旧不敷的。因为带电黑洞之间保管万有引力和电磁力,这些力都是互相吸引的,它们会让两个黑洞互相接近,这就不行构制出一个稳定的虫洞。

  那么,怎样才干让虫洞稳定下来呢?他们念到了宇宙弦。

  宇宙弦是一个来自弦论的表面模子,可以被看成是大爆炸以后的时空构造被冰冻时变成的奇特物体,具有很强大的张力(弹性)。早期宇宙中呈现的弦假如随宇宙膨胀而放大,那么就可以成为标准很大的宇宙弦。这种宇宙弦可以长达几万光年,成为连接两个黑洞的管道。Grado-White等人的论文中,他们用到了两根宇宙弦。

  如下图所示,蓝色的宇宙弦是一个合弦,可以振动起来发生负能量。他们盘算了这些负能量对时空几何的影响,发明它确实可以避免虫洞坍塌。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,依托宇宙弦庞大的张力阻遏两个黑洞互相接近。

  这个办理方案使得虫洞不光稳定,而且可以被穿越。穿越这个虫洞所要花费的时间,大致与间隔与光速的商同一个量级,以是,这是一个“烦懑不慢”的虫洞。而马尔达西纳等人提出的永久虫洞里,穿越的时间则要长许众,如许的永久虫洞并不适合星际旅游,只适适用来规避星际战役。

  以前的可穿越虫洞研讨大众都与反德西特时空(宇宙学常数为负数)相关,而最新的研讨构制了一种宇宙学常数为0的时空中可以保管的可穿越虫洞,这使得通通研讨看起来实更契合实行。

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