星际穿越的背后:黑洞虫洞与时间流

科学网 2018-09-07 07:28:05

听说正上演一部电影《星际穿越》,又听说是根据Kip Thorne的虫洞理论编的,还听说书店请出版社重印老K的那本《黑洞与时间弯曲》,那么我也借这个机会说说老K在那本书里编的故事。老K在书中专门写了一章《虫洞与时间机器》(wormholes and time mechines),并特别注明那是他个人的观点(personalviewpoint)。我没有译文的电子版,不能偷懒,只好边看边写了。

30年前,老K刚上完1984-85学年的最后一堂课,接到卡尔萨根(他的名气在科幻界很大)的电话,向他请教引力问题——他那会儿正写《接触》,人类与外星人的接触。卡尔在书中说,主人公被扔进地球旁的一个黑洞,通过超空间用1个小时就到了26光年外的织女星。这当然是不可能的——It is impossible to travel through hyperspace from a black hole'score to another part of our Universe.因为洞里的一切东西都会被真空涨落的能量毁灭(这是可以计算的)。不过,这令老K想到,也许能用虫洞来实现卡尔的幻想——老K也就成为第一个认真研究虫洞和时间机器的物理学家。

所谓虫洞,是超空间里的一个捷径;当然,也可以说它是时空错乱的一个时空区域。


虫洞的两个端口,在三维空间就像黑洞的球状视界(这儿不能细说“视界”了)。不过,视界是单向的(连光线也跑不出来),而虫洞口是双向的——织女星的光线可以穿过它暖洋洋地照在我们脸上。

其实,虫洞作为爱因斯坦引力场方程的解,早在1916年就出现了;50年代惠勒等前辈也做过大量计算。不过,那些洞都不能用来玩儿穿越,因为它们倏来忽去,你还没来得及进去,它就消失了。


50年代发现的虫洞解:两个黑洞奇点消失融合,形成虫洞,然后分离,回归奇点。

K根据广义相对论的计算发现,为了让虫洞稳定开放,需要装入一种奇异(exotic)物质。那种物质能撑开虫洞,也能分散(defocusing)光线。最奇异的是,从穿过虫洞的光线来看(或者说,在以近光速穿过虫洞的旅行者看来),那种物质的能量密度是负的(the exotic material threading the wormhole must have a negativeaverage energy density, as seen by a light beam traveling through it)。(顺便说一句,在正能量条件的假定下,霍金证明了时空奇点的必然性;那么,要消除黑洞的时空奇点,自然需要负能量来帮忙了。)当然,能量密度是相对的,不是绝对的,所以对静止在虫洞的观测者来说,奇异物质的能量不一定是负的。

卡尔接受了老K的建议,写进了他那部著名的小说。老K也开始认真考虑奇异物质状态下的引力场方程。他和学生Mike Morris写了篇文章给American Journal of Physics;文章尚未发表,M拿它去申请博士后。师兄DonPage(也是霍老的学生)看了,告诉他,“根据霍老师书中的命题9.2.8,自然就得到那个结果了。”(我在翻译这段话时,好像加了一个注释,把那个命题写出来了,见霍老1973年的《时空的大尺度结构》,那书也有中译本。在这儿重复这个插曲,是为了说明数学的“先进性”。老K遗憾没学过整体微分几何,不熟悉霍老的那本书。他的结论只是针对球对称洞计算的,而霍老的方法可以导出一切形式、甚至随机变形的虫洞,都需要奇异物质。)

虽然真空涨落能瞬间产生负能物质(然后瞬间地与正能物质湮灭),但物理学定律是否真的允许负能物质的存在,我们还不知道。老K只能玩儿思想实验:无比先进的文明能做出可以时间旅行的虫洞么?当然,这个文明的活儿也同时意味着另一个自然的问题:物理学允许宇宙发生那样的拓扑改变么?现在能想到两种生成虫洞的方法:一种是用普朗克尺度的量子泡沫,一种是通过时空的拓扑变换。


量子泡沫里有很多奇异物质

生成虫洞的拓扑方法


1966年,惠勒的学生Robert Geroch发现,拓扑方法会扭曲时间,使时间方向错乱——既能向前,也能向后。换句话说,经典虫洞就是一台G. Wells小说里的那种时间机器,能把旅客带回过去。老K想象他家后院有个小虫洞,他几乎不费时间就能钻到洞的那头——也许是织女的闺房。可在家里的人看来,他也许要一个小时才能钻出去。于是,洞内外的时间流是不同的,而这不同的时间流,为物理学也为科幻小说留下了无限的想象空间……【不写了,感兴趣的同学可以找老K的书来看看】

K的腿还在家里,头已经到另一个星系了

K通过虫洞与遥远太空的夫人握手

这是另一本书里的多虫洞时间流

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