优化后的标题：【虫洞非洞？】物理学家揭秘广义相对论下的虫洞数学模型
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在科幻作品所谓的《星际迷航: 深空九号》当中, 深空九号空间站被进行了设定, 其位置处在一条天然虫洞的旁边, 借助这个虫洞, 人们能够直接到达银河系的另一侧, 就是这样。这对于虫洞不是洞 广义相对论 虫洞数学模型来说非常重要。
于科幻电影之中, 虫洞差不多从来都不会缺席, 有一个呈现旋转状态的洞口于宇宙里悬浮着, 恰似那被撕开的空间裂缝, 飞船将其对准后冲进去, 紧接着下一秒便出现在遥远的星系, 这般画面是如此经典, 以至于我们差不多默认，虫洞必定会长得如同一个洞。这也是虫洞不是洞 广义相对论 虫洞数学模型的关键所在。
但是即便那些专注于广义相对论研究的物理学家, 当你向他们询问相关问题时, 他们通常会率先纠正一种基础性的误解, 那就是处于严谨的数学意义范畴里, 虫洞是不存在一种能够被称作是“洞口”的结构的。
我们为什么总把虫洞想成“洞”
枯树上的一个洞（图片来源：维基百科）
原本人类对于空间所具备的直觉, 是源自日常经验的。洞所具备的含义是意味着缺失, 像山洞、地洞以及隧道这种, 本质上无一例外都是“实体中那种被挖去的一部分”。所以当我们听闻“虫洞”这个词汇的时候, 自然而然就会认为那是宇宙中被采取掏挖方式挖空的地方。
在广义相对论里情况是这样的, 空间并非那种用来装东西的容器, 它是一种几何结构, 这种结构能够进行弯曲, 能够进行拉伸, 还能够进行折叠。引力并非所谓的“拉力”, 而是由于质量致使时空产生了形变。
有一个堪称精妙的比喻涉及二维纸面的世界, 若个人处于一张纸上, 从纸的一端迈向另一端有着漫长的行程, 然而要是有人将纸进行折叠, 使得两个原本相距甚远的点紧密贴合在一起, 此时个人仅需跨出一步, 这一步达成的缘由并非是“打了洞”, 而是几何关系发生了变化。
图里把虫洞示意成是二维曲面, 路径（a）表示在普通空间当中从 1 点到 2 点去往时就要经过的最短的那一段距离, 然而路径（b）借助虫洞结构, 走了一条在几何语义层面而言还要更近一些的“捷径”。（图片来源: 维基百科）
虫洞是这种几何变化的极端版本, 它并非在空间里“挖洞”, 而是使空间自身以一种非常反直觉的方式去弯折, 然后连接起来。
于广义相对论的方程当中, 虫洞被描绘成一种特别的时空解, 它一般由两个“外部区域”以及一个“喉部”构成, 重点在于, 此结构并未存在一个边缘明晰、如同洞口那般的缺口。
模拟可穿越虫洞的图像（图片来源：维基百科）
在外部进行观察时可发现, 虫洞的“入口”呈现出的样子更像是一个处于封闭状态的呈现球形的边界, 对于所有靠近它的物体而言, 会察觉到自身并非是朝着一个空洞径直坠落, 而是发觉自己是被吸引向一个球状区域, 被引力吸引着移动。
为啥物理学家着重指出, 这是因为虫洞在视觉方面更近似于一个球体, 而非洞。不是你不会看到宇宙背景于洞的后方伸展续延, 其实也不是你不会看到另一端的星空。你看到的仅仅是一个表面, 是一个“到此为止”的边界。
踏入虫洞所产生的感受, 并非那种所谓的“钻进去”之感, 而是形同穿越一面好似球体形状的界面。
那么，虫洞到底是怎么被提出来的？
好玩的是, 虫洞并非是哪一位物理学家, 出于要去满足科幻方面想象之中的那种需求, 进而发明创造出来的一个概念, 它差不多是“顺便一块出现”的。
这一年，也就是1916年, 在广义相对论被提出后没过多久, 物理学家才在对应的方程当中查找到了能够描述黑洞的、相应的解。紧接着, 人们又察觉到, 同样的那个方程竟然还容许一种时间反演的解, 而这个解后来被称作“白洞”。到了1935 年, 爱因斯坦和与罗森在针对这些解展开研究时发现, 要是从数学层面将两者连接到一起, 就会得出一种具备桥形状的结构, 而这个结构就是后来被叫做“爱因斯坦–罗森桥”的虫洞模型。
也就是说, 虫洞并非是被额外增添进入的, 是方程本身自行“生长”出来的事物。
问题在于：数学允许，并不等于物理可行。
虫洞要是没有奇异物质, 那就会一直如同图片右边呈现的那般状况, 成为一个在瞬间启开, 紧接着又在瞬间被掐断的“死亡陷阱”。 （图片来源: david darling）
极经典的虫洞那般模型存在着共通的缺陷, 这缺陷是, 它们极为不稳定, 时空结构会于极短的时间之中塌缩, 并且那短暂程度乃至都不足以让一束光完整地通过, 而若想要使得虫洞保持呈现张开的状态, 从理论方面来讲的话是需要一种拥有负能量密度的奇异物质去“撑住”它的。
那种物质具备的性质极其违背直觉, 它所拥有的引力呈现排斥状态, 并非吸引态势。直至当前, 人类在自然界当中从未寻觅到能够以宏观形式存在的负能量物质。正是基于此, 绝大多数物理学家觉得, 可供穿越的虫洞更倾向是数学范畴内的极限情形, 而非宇宙里的真实通道。
为什么时间旅行总是和虫洞绑在一起
虫洞每每与时间旅行一块儿现身。因于既有理论里, 其恰恰处在极为“凶险”的方位——该处, 空间、时间以及因果关系开端互相纠葛。
1998年, 莱斯·博西纳斯设想了虫洞旅行, 这是为美国宇航局设想的, 图片来源是NASA。
在广义相对论当中, 时间并非绝对均匀地流逝着。高速运动的状况下时间会变慢, 强引力环境也会致使时间变慢, 这是已被反复验证的物理效应。假设虫洞的两端有着不同的时间流速, 像是一端处于高速运动状态, 另一端呈现出静止状态, 在理论层面上, 它们之间便有可能产生时间差。
但这并非表明物理学家认定时间旅行属于“可行方案”。恰恰相反, 几乎所有严谨的分析紧接着都会碰到阻碍: 虫洞自身的稳定性, 维持结构所需的能量条件, 以及一旦准许回到过去便会出现的因果悖论。
不少研究并非聚焦于“怎样对虫洞加以利用”, 而是恰恰相反, 在反过来进行追问, 即: 是不是存在更深层次的物理规律, 能够自动去阻止这种情形出现。也正是因为存在这些问题。此情形也是“年代保护猜想”等思想得以出现的背景所在。虫洞于此处所发挥的作用, 更类似于一块进行检验的试金石, 其目的在于查看现有理论在因果方面的底线究竟处于何处。
Blázquez-Salcedo等众人所构建的, 是可穿越虫洞, 于一个四维时空里, 存在着具体例子。（图片来源: NASA）
现实里, 虫洞没准并非那种等着被开启的通道, 而是一种处在方程边缘的极限结构。物理学家再三讨论它, 并非是盼着借由虫洞抵达远方或者过去, 而是鉴于在这些看似“不切实际”的设想之中, 关于时空、因果以及引力的理解极易暴露出欠缺。虫洞让我们警醒的, 并非是宇宙还能带着我们走多远, 而是当直觉失去作用时, 现有的理论究竟还能有多稳地前行。
撰稿/杨雨鑫
参考资料：
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