科幻探索：能讓你穿梭時空的蟲洞，不止是科幻？


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在人們開展黑洞研究的早期，甚至“黑洞”一詞還未誕生之時，物理學家還並不知道這些奇怪的物體是否真的存在於現實世界中。在當時，用於描述引力的廣義相對論剛剛興起，而黑洞本可能隻是該理論複雜數學過程中奇怪的一部分。不過這些年來，越來越多的證據表明黑洞確實是真實存在的天體，而且甚至就存在於銀河係當中。
尋找蟲洞
如今，人們還難以判定廣義相對論所預言的另一種奇怪天體——蟲洞——是否存在。蟲洞是可以通向宇宙另一側的神奇隧道，但它們真的存在嗎？如果蟲洞就存在於我們的宇宙中，那麽人類是否可以寄希望於利用它們暢遊宇宙？
1935年，就有人預言蟲洞存在，但是在此之後的研究似乎指向了否定的答案——蟲洞看起來不太可能是真實存在的。然而最新的研究提供了一些關於蟲洞如何產生的線索，而且這一過程可能比物理學家長期以來所想的要更簡單。
蟲洞的概念最早由物理學家阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）和內森·羅森（Nathan Rosen）提出。他們曾研究了一些奇怪的方程，並思考這些方程究竟代表了什麽，而如今我們已經知道這些方程描述的是一種叫做“黑洞”的、無法逃離的一小塊空間。愛因斯坦和羅森發現，至少在理論上，黑洞的表麵可能成為連接另一片空間的橋梁。這種旅行可能就像你沿著浴缸的下水管道走，出來之後來到另一個和之前一樣的浴缸中，而不會卡在管道裏。


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後來的研究工作拓展了這一想法，但是卻遇到了兩個始終無法克服的難題：蟲洞十分脆弱和微小，這導致容易被發現且可以被人類利用的蟲洞很難形成。首先，根據廣義相對論，穿過蟲洞的任何普通物質的引力作用都會牽拉並關閉這一隧道。形成穩定的蟲洞需要某種額外的、非典型的成分，以保持蟲洞開放，研究人員將其稱為“奇異”物質。
其次，科學家們所研究的蟲洞形成過程依賴於一種特殊效應，它讓宏觀世界的旅行者無法進入其中。因此，研究蟲洞的難點在於，生成蟲洞的過程和穩定蟲洞的奇異物質不能偏離人們所熟悉的物理學理論太遠。
“奇異”並不意味著物理學家們可以在紙上隨便空想出一種可以實現這項功能的東西。但是迄今為止，人們根據熟悉的物理學理論隻能構想出微觀尺度的蟲洞。要想產生更大的蟲洞，似乎還需要一種既不尋常又可信的過程或者物質。“這就是棘手之處。”布蘭迪斯大學的物理學家、蟲洞研究者布裏安娜·格拉多-懷特（Brianna Grado-White）說。
突破性進展
2017年，蟲洞研究取得了突破性進展，哈佛大學的高蘋、丹尼爾·賈弗裏斯（Daniel Jafferis）和新澤西州普林斯頓高等研究院的阿倫·沃爾（Aron Wall）發現了一種利用量子糾纏（量子實體之間的一種長距離聯係）來實現可持續開放蟲洞的方法。
糾纏態的奇怪性質使其可以提供維持蟲洞穩定性所需的奇異物質。而由於糾纏是量子物理學的標準特征，因此這一狀態相對來說比較容易產生。“這確實是一種美妙的理論想法。”英國杜倫大學的物理學家納比爾·伊克巴爾（Nabil Iqbal）說道，他並未參與此項研究。
伊克巴爾和他在杜倫大學的同事西蒙·羅斯（Simon Ross）在一項預印本研究中提出了一種容易想象蟲洞的方法。兩位科學家想要探究是否能用高-賈弗裏斯-沃爾方法製造出一個大型蟲洞。
他們的工作從理論上提出，黑洞周圍磁場內受到的特殊擾亂是如何導致穩定蟲洞產生的。遺憾的是，這一效應依然隻能生成微觀的蟲洞，而且伊克巴爾還說，這種情形幾乎不可能出現在現實中。


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伊克巴爾和羅斯的工作突出了蟲洞構造過程中棘手的一環：找到一種可以實現的過程，而且這一過程不需要超出人們熟知的物理學理論太多的額外條件。普林斯頓高等研究院的物理學家胡安·馬爾達西那（Juan Maldacena）曾於2013年指出蟲洞和量子糾纏之間存在聯係，他和他的合作夥伴、普林斯頓大學的阿列克謝·米列欣（Alexey Milekhin）發現了一種可以產生大型蟲洞的方法。
他們方法的難點在於要求充滿宇宙的暗物質表現出一種特定的行為，但是我們生存的宇宙中不太可能出現這樣的情況。“我們可以用的方法很有限，”格拉多-懷特說，“為了要讓事情看起來和我們需要的一樣，這些方法能做到的也並不多。”
蟲洞研究的熱潮還未退去。目前看來，人們還不可能定製出人體尺度的蟲洞機器，但是研究確實取得了一些進步。“我們了解到，實際上利用簡單的量子效應便可以製造能保持開放的蟲洞，”格拉多-懷特說，“長期以來，我們認為不可能製造出這樣的東西，但結果表明是可以的。”
撰文：布倫丹·福斯特（Brendan Foster）
翻譯：李詩源
審校：楊心舟
引進來源：科學美國人


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