新研究称虫洞可能是穿越时空的可行捷径

北京时间 11 月 17 日消息，在一项新研究中，科学家提出的新理论反驳了先前关于虫洞会迅速崩塌的预测。这个大胆的新理论认为，虫洞 -- 或者说黑洞之间的通道 -- 最终有可能是稳定的。

▲ 虫洞内部的想象图

虫洞又称爱因斯坦-罗森桥，是宇宙中可能存在的连接两个不同时空的狭窄通道。先前的理论预测，这些假想的时空"捷径"是转瞬即逝的，会迅速坍塌。在新研究中之所以出现如此截然不同的结局，要归结于用来描述虫洞的相对论数学的微小差异，最终戏剧性地改变了我们对虫洞的整体认识。

一切与度规有关

首先，让我们来了解一些关于广义相对论如何发挥作用的背景知识。相对论就像一台机器。当你把某些物体 -- 比如一组混乱或规则分布的粒子 -- 放进去时，机器就会显示出这些物体在引力作用下的变化。广义相对论中的一切都是以空间和时间的运动为基础的：物体从特定的物理坐标开始，四处移动，最后到达其他坐标。

尽管广义相对论的规则是固定的，但该理论本身提供了很大的自由度，让我们能用数学方法描述这些坐标。物理学家称这些不同的描述为"度规"（metrics）。你可以将度规想象成描述去某个地方赴宴的不同方法，可能是根据街道方向，或基于卫星的经纬度，或是写在餐巾纸上的地标。在每种情况下，你的度规都是不同的，但无论你选择哪一种度规，你最终都会饱餐一顿。

同样，物理学家可以用不同的度规来描述相同的情况，有时一种度规比另一种更加实用 -- 类似于你出发时先确定街道方向，再切换到餐巾纸，以再次检查你是否到达正确的地标。

扩展的黑洞

当我们谈到黑洞和虫洞时，就会涉及一些潜在的度规。最广为人知的是史瓦西度规，这是第一个可以用来表征黑洞的广义相对论精确解（即史瓦西黑洞）。然而，史瓦西度规包含一些古怪的数学函数，在与黑洞相距一定距离，即我们今天所知的史瓦西半径或事件视界时，它就不那么好用了。

这里的"不那么好用"，指的是史瓦西度规完全崩溃了，它不再能区分空间和时间上的不同点。不过，我们还有另一个度规，称为爱丁顿-芬克斯坦度规，描述了粒子到达事件视界时发生的事情：它们直接穿过并坠入黑洞，从此便消失不见。那么，这一切与虫洞有什么关系呢？构建虫洞最简单的方法是"扩展"黑洞的镜像概念，即白洞。这个想法最初是由阿尔伯特・爱因斯坦和内森・罗森提出的，因此虫洞有时被称为"爱因斯坦-罗森桥"。黑洞不会让任何东西出来，而白洞则不会让任何东西进去。要制造一个虫洞，你只需要一个黑洞和一个白洞，将它们的奇点（位于中心处具有无限大密度的点）结合起来。于是，一个穿越时空的隧道就创造了出来。

然而，这条隧道似乎完全"走不通"。

狭窄的路径

如果存在一个理论上的虫洞，那我们完全有理由去问，穿过这个虫洞时会发生什么？这时广义相对论就要发挥作用了：在这种（非常有趣的）情况下，粒子是如何运动的？答案可能会令人不寒而栗。白洞本身是不稳定的（甚至可能根本就不存在），虫洞内部的极端力量会迫使虫洞本身伸展并断裂，就像橡皮筋一样。如果你想把什么东西送进虫洞的话，那只能祝你好运了。

不过，爱因斯坦和罗森是用史瓦西度规构建了虫洞，而大多数虫洞分析都使用这一度规。因此，法国里昂高等师范学校的物理学家帕斯卡尔・科伊兰决定尝试其他方法，他改用了爱丁顿-芬克斯坦度规。今年 10 月，他在发表于预印本数据库 arXiv 的论文中对此进行了描述，该论文预计将刊登在近期出版的《现代物理学杂志 D》（Journal of Modern Physics D）。

科伊兰发现，通过使用爱丁顿-芬克斯坦度规，他可以更容易地追踪粒子通过假想虫洞的路径。粒子可以在有限的时间内穿过事件视界，进入虫洞隧道，再从另一端逃逸。在粒子轨迹上的任何一点，爱丁顿-芬克尔斯坦度规都没有失灵。

这是否意味着爱因斯坦-罗森桥是稳定的？不完全是。广义相对论只告诉我们引力的行为，而没有描述其他自然力的行为。例如，热力学理论（热与能量之间如何相互作用）就告诉我们，白洞是不稳定的。如果物理学家试图用真实物质在真实宇宙中制造一个黑洞和白洞的结合，从其他数学方法可知，这种结合的能量密度会使一切分崩离析。

当然，科伊兰的研究结果仍然很有趣，因为他指出虫洞并不像原先理论预测的那样危险，而且在广义相对论的框架下，完全可能存在通过虫洞隧道的稳定路径。