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    虫洞是否存在及通往哪里?

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       科普驿站  第三十一期

      主题:虫洞是否存在及通往哪里?

      科目:宇宙学

      难度:A2

      时间:2019年11月29日

      讲师:木头人

      什么是虫洞?它去往何处?它的存在对于人类有什么意义?

      “虫洞”术语最早由惠勒和米斯纳在1957年发表一篇论文中提出。

      虫洞的概念是奥地利物理学家路德维希·弗莱姆首次提出,该(虫洞)理论又由阿尔伯特·爱因斯坦及纳森·罗森在研究引力场方程时假设:可以通过虫洞进行瞬时间的空间转移或进行时空旅行。

      虫洞又称“蛀孔”或“时空洞”,简单点来说是连接宇宙区域间的时空细管,是宇宙中可能存在的捷径。

      理论上,虫洞是连结两个遥远时空的空间隧道,有人假想一种奇异物质——

      奇异物质有两种含义,分广义和狭义。广义奇异物质含:上夸克,下夸克,奇夸克的夸克物质,有一个临界压力及与之相关的临界密度,而当由质子和中子构成的核子物质被压缩超越这个密度,便会分解成夸克,产生夸克物质(可能是奇异物质)狭义上指比核物质更稳定的夸克物质,换言之,物质真正的基态应该是夸克物质。这是博德默和爱德华·威滕的“奇异物质假说”中提出的。在此定义下,奇异物质的临界压力是零,我们周围的核子物质,其实在一种亚稳定状态中,它们在足够长的一段时间后(或给予特定的条件时)会衰变成奇异物质。

      奇异物质可以使虫洞保持张开,也有人假设如果存在一种叫做幻影物质的奇异物质,其同时具有正能量和负质量,因此能创造排斥效应以防止虫洞关闭。

      虫洞是否存在及通往哪里?

      之所以奇异物质具有负能量,是因为它低于真空零点能。也可以被称为负能量物质——在量子场的框架中,真空就是物理真空,也就是所有的场都处于基态,而粒子只是场的激发态而已。当所有的场都处于基态时,整个真空没有一个粒子,空无一物,但是基态的能量不为零,此时这个能量被称为真空零点能。比该能量还少的被称为负能量,比该能量还多的被称为正能量。

      科学家一度认为我们可以借助虫洞瞬间跨越时空,但根据一项新研究,虫洞并非时空旅行的捷径,其耗时超过其它路线。有一些新研究猜测,宇宙中或许真的存在虫洞,且它们无处不在。虫洞非常微小,它存在于时空的各个角落,任何东西都不会是平坦或者实心的,小洞和缝隙无处不在,这是基本的物理原理,对时间也同样适用。这些是三维空间确定的,但在四维时空同样正确,在时空里同样充满小洞与缝隙——这就是量子泡沫。

      虫洞是否存在及通往哪里?

      虫洞有两种理论,欧几里得虫洞理论和洛伦兹虫洞理论。前者是永远存在的,后者则是瞬间存在或者是瞬间消失。欧几里得虫洞指假设某个人瞬间消失,又瞬间出现在某个小巷里,欧几里得虫洞也支持连接过去未来和平行宇宙。

      考虑量子力学的不确定性原理,在小尺度上时空是涨落的,也就是时空曲率是随机的概率涨落。在这个尺度上时空的几何特征形状都是不确定的。所以时空会有一种情况,有个洞可以连接两个时空区域,这个洞,就是虫洞。

      量子泡沫(时空泡沫)即为诞生前宇宙的概念化。在量子泡沫的普朗克尺度,时空不再是平滑的,许多不同的形状会像泡沫一样随机浮出,又随机消失,这样在微小世界的能量起伏,我们称之为量子涨落(真空涨落)。在量子涨落中形成的小通道,就是所谓的虫洞,而这些量子虫洞则又可以连接到周围众多的起伏泡沫,那些量子泡沫就是幼宇宙。

      但虫洞绝非时空旅行的理想之选。此外,新研究还发现相互纠缠的黑洞与虫洞相当。这项研究有助于科学家进一步了解量子引力和解开其它谜题。

      不过有科学家则认为虫洞可能通往的是平行宇宙,埃弗雷特曾经提出过平行宇宙概念。他指出,在量子力学中,存在多个平行的世界,在每个世界中,每次量子力学测量的结果各自不同,因此不同的历史发生在不同的平行宇宙中。多世界解释认为,对测量装置的观察,会使得测量装置被分解为两个。并且在这个测量链上,这种分解会不断地进行下去。伴随着这种分解,一定有一个一模一样的宇宙复制品。也就是说,只要有一个量子测量发生,那么,每个宇宙分支,以及这个分支中的分量就会导致一个可能的测量结果。

      每个处在特殊宇宙分支中的人都会认为,他的测量结果和所处的宇宙是唯一存在的。也就是说,一次测量产生了一次新的宇宙,这些各自不同的新宇宙,除非在本质上完全相同,否则绝无重合的可能。这一理论的发表,标志着平行宇宙概念的正式提出。

      从理论上来说是可以实现的,但是想要真正实现却十分困难。虫洞具有非常大的引力,当飞船靠近时就会无限拉伸最后分解掉,真正安全的虫洞直径需要一光年以上,先不说能不能找到如此大的虫洞,及时找到需要维持虫洞不关闭的暗物质的质量也是不可估量的。经过计算,至少需要整个银河系中星体总质量的十万倍,以人类目前的科技水平来说是不可能实现的。

      说回刚才的问题,虫洞确实不一定总是时空的捷径。

      贾弗里斯分析了一种涉及两个在量子层面相互纠缠的黑洞的假设。两个完全纠缠在一起的黑洞会在它们的两个空间点之间形成一个虫洞。这一设想被称为“ER=EPR”,结合了爱因斯坦的两项理论。经过分析,贾弗里斯得出了“虫洞无用论”。2013年,普林斯顿高等研究院的胡安·马尔达塞纳和斯坦福大学的伦纳德·苏斯金德再次提出了“ER=EPR”设想。根据贾弗里斯的结论,两个纠缠黑洞之间的时空通道要比虫洞通道短。他们说:“从外部视角,穿过虫洞的旅行相当于利用纠缠黑洞进行的量子隐形传态。”

      虫洞是否存在及通往哪里?

      在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,没有实际的用处。

         本期科普就到这里,感谢各位的观看!

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      Lv.16微波波长
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      头像我脑补的是仰望星空的猫猫

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      Lv.14变形虫
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      🌼春暖花开
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      当你凝视星空的时候,群星也在注视着你。

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      Lv.4弱力范围
      阿基米德🌏
      有人提出来,如果到达虫洞的另一端的新世界,人要先化为粒子,然后在新世界重组。那么那个地方的人和现在的人究竟是不是一样的→_→没有人去过虫洞,这只是个设想
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