我們能看見蟲洞嗎？

什麼是蟲洞

宇宙中的蟲洞是科學家推測可能存在的一種特殊隧道，它的兩頭連接著兩個遙遠的時空，理論上說，如果能從蟲洞的一端穿越到另一端，就能實現超越光速的時空旅行。

要想清楚了解蟲洞的來頭，我們還得再次回到1916年。##歷史文章《上帝不會擲骰子？——談談量子力學》##

愛因斯坦提出廣義相對論後，各地的科學家都對這一理論展開了積極研究，來自奧地利的物理學家Ludwig Flamm就是在這一過程中想到了類似蟲洞的概念。

在解決廣義相對論的核心方程（愛因斯坦場方程）時，方程的史瓦西解（Schwarzschild"ssolution）被找到，只是在這個解裡面存在著奇異點，或者說是方程中的特殊情況（就像y=1/x這個方程里，x=0的情況）。當我們把這種特殊情況和它的物理意義聯繫起來時，黑洞和白洞就被相繼提出。

Kruskal 坐標下的史瓦西圖，1,3象限代表兩個獨立的時空，2的曲線邊界是白洞，4的曲線邊界則代表黑洞 Credits: Wikipedia(Kruskal–Szekeres coordinates)

在霍金的兩大科普著作《時間簡史》、《果殼中的宇宙》的幫助下，黑洞這一概念早已深入人心。它是在恆心死亡時，由於體積收縮，密度變大，獲得使光也無法逃脫的巨大密度的一種天體。而所謂白洞，其實就是和黑洞具有相反性質的特殊天體，特點是不斷往外「吐」出東西，只發射而不吸收。Ludwig Flamm設想中的蟲洞正是連接黑洞和白洞的「管道」，由於聯繫著一黑一白，蟲洞也有了另一個名稱叫作「灰道」。

1935年，愛因斯坦和羅森完善並正式提出了這一理論，從此，這種連接兩個時空的神奇通道被人們稱作愛因斯坦-羅森橋（Einstein-Rosen bridges），或者蟲洞（wormhole）。

理解蟲洞 Credit: Wikipedia (Wormhole visualized)

這樣看來，黑洞、白洞和蟲洞其實都是從物理方程出發，在數學意義上存在的概念。它們在宇宙里是否真的存在，還需要我們的觀測結果來證實。關於黑洞，我們前幾年已經在宇宙中找到了它存在的蛛絲馬跡，但是白洞和蟲洞的蹤跡卻一直未能被人類捕捉到。

黑洞和蟲洞的觀測

霍金曾對微觀上的蟲洞作出過解釋，在他的理論中，微觀蟲洞其實不斷在量子真空中出現和消失，只是它們體積極小，只有不及原子大小的基本粒子才能通過。這一解釋顯然讓那些對時空旅行的充滿期待的人失望了，幸運的是，宏觀上的蟲洞在理論上也是可能存在的。

地球的引力作用造成空間扭曲，使衛星在特定的軌道上運行

宏觀上的蟲洞和黑洞一樣，周圍會產生嚴重的時空包裹，也就是極強的引力作用。在這種作用下，光線沿曲線行走，蟲洞周圍的星雲塵埃發出的光線匯聚過來，形成一個圍繞蟲洞的光環。於是，蟲洞周圍的光線就像圍繞地球運行的衛星，過於靠近的光子會因為引力作用被蟲洞吸收，所以光環往裡是一個圓形的黑色虛空，我們叫作陰影（shadow）。

同樣的，在銀河系的正中，我們曾間接觀測到的那個巨大黑洞也有著這樣的陰影區域，只是他的相對體積非常的小。為了直接觀測到黑洞的陰影，我們在全球設立了射電望遠鏡陣列，形成一個地球大小的組合「望遠鏡」，也就是視界望遠鏡（EHT，Event Horizon Telescope），現在科學家們正在分析去年收集到的第一批數據，試圖提供直接觀測到的黑洞存在的依據。

巨大的密度意味著超強的引力，使速度最快的光也無法逃脫

在這項研究中，蟲洞喉嚨的影響被考慮了進來，這也是之前的多數研究者都忽視的問題。蟲洞的喉嚨連接著蟲洞的兩端，並且在理論上會影響它產生的陰影的形狀。

科學變革的可能

在廣義相對論的體系之下，蟲洞產生的引力作用是如此巨大，它其實不能單獨存在多久就會自我毀滅，所以蟲洞的長期存在需要奇異物質（exotic matter）的維持。

「奇異物質」這個十分玄幻的詞並不是Rex使用的一個修飾詞，而是科學家定義的一類物質的名稱！但是顧名思義，這些物質有著奇異的性質，或者說能力，可以做到一些一般物質完成不了的任務，比如說負能量產生的反引力效果，可以抵消正常的引力效應，從而維持蟲洞的「存活」。廣義上對它的定義是：不由強子（baryons）所構成的物質。

所以說，如果我們真的可以直接觀測到宇宙中的蟲洞，那麼也就間接證明了奇異物質的存在，或許我們會迎來另一次的科學變革，使得科學家們重新定義和理解引力，以及宇宙物質的構成等問題。

電影星際穿越中的畫面

然而，以上的一切都基於層層假設之上，我們能否真的直接觀測到陰影還需要等待數據分析的結果。上述對陰影形狀的研究也只是基於一種特定的蟲洞才能適用，這種蟲洞是一種簡化的，對稱的理想蟲洞，所以研究結果能應用到普通蟲洞上的可能並不大。

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經歷了從物理出發到數學推導，再重新回到物理研究的過程，一路上我們對蟲洞建立了太深的印象，好像它真的就掛在天上。我們曾經無數次通過數學計算找到了相應的物理現象，就像電磁波的提出、泊松亮斑的發現，當看到觀測結果和理論預測完美吻合時，我也深深感受到了科學的魅力。只是對於蟲洞來說，宏觀蟲洞的存在不可避免地指向了極其神秘的奇異物質，這些物質本身的性質、對蟲洞的影響我們都無從得知，所以之後的推測也難以讓人信服。

理論的突破和實驗的證明是科學研究的左右手，也是我很喜歡的一種理性的美學，只是這一次，我們可能要接受科學另一種殘缺的美了。

來源參考

https://en.wikipedia.org/wiki/Wormhole

https://www.space.com/20881-wormholes.html

https://www.zhihu.com/question/50795273

來源：牛油果進化論

編輯：loulou

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