蟲洞到底是什麼？它真的能實現穿越嗎？

爲什麼說蟲洞是物理學中最具魅力的時空隧道? 在廣義箱對論中,宇宙是一個由三維空間和一維時間所組成的四維時空。 任何有質量的物體都可以使其周圍的時空發生扭曲。 物體的質量越大,扭曲的程度就會越強。 作爲擁有最大引力的類星體,黑洞會使其周圍時空扭曲得極爲強烈, 並將周圍所有物體都推向中心那致命的起點,甚至連光都無法逃脫。 爲了更好地解釋這一現象,我們通過數學嵌入來表示宇宙的幾何形狀。 此時我們便會看到,黑洞周圍的空間呈現出一個漏洞形狀。 從外部看,時空幾乎是平坦的,不存在任何彎曲的狀態。 而距離黑洞世界越近的區域,時空受到的引力牽引就會越強烈。 如果此時將其轉換成二維空間的切片後便會發現, 在時空結構中將出現一個圓形區域。 但通常,我們爲了更好地表示時空的區域, 會忽略掉時間維度和一個空間維度,從而使圖像看上去處於靜止狀態。 假設我們向黑洞墜落,我們的運動軌跡其實就是沿着黑洞的時間方向, 一旦加入時間維度後,下方的洞口就會快速閉合,從而形成一個點。 這也就解釋了爲什麼說黑洞的中心是一個致命的起點。 如果我們將其用時空幾何的數學方程表示, 並以此複製一個反向的黑洞後便會發現, 這將與傳統意義上的黑洞行爲完全不同, 任何物體不再是無法從其內部逃脫,而是加速向外逃逸。 這就是相對論中一種性質與黑洞相反的假想天體——白洞。 當我們將這兩種時空幾何重疊在一起, 並根據數學中方程的對稱性進行延伸, 就得到了一個具有拐狀而並非孔狀的結構, 這就是我們所說的蟲洞。 但這目前僅僅只是一種理論模型。 如果宇宙中真的存在這樣的結構, 就說明蟲洞必然會將同一宇宙下的不同部分, 甚至兩個獨立的宇宙相連接, 並在兩個區域之間形成了一條几何狀的狹窄隧道, 從而實現星際間的旅行。 而由黑洞和白洞所形成的蟲洞通道稱爲愛因斯坦羅森橋。 不僅如此,在數學上也存在着其他幾何結構的蟲洞, 且具有更好的性質。 如果一個黑洞在自轉時具有電荷, 那麼中心的起點將不再是一個固定的點, 而是會形成一個圓環, 並擁有內外兩個世界, 以此來進行時空穿越。 但這種形式的蟲洞只能單向穿梭, 無法實現雙向旅行。 對此,理論物理學家在遵守一定可行性條件的數學構思下, 提出了更爲複雜的幾何結構, 甚至超越了黑洞與白洞的蟲洞模型, 允許實現真正自由的時空穿梭。 由此出現了優雅的莫里斯索恩蟲洞。 它既沒有世界, 也沒有起點, 且時間上完全穩定, 使物體穿過蟲洞時不會自我閉合, 並且由於其完全的幾何結構使其內部不會產生隱蔽, 因此我們可以在靜止狀態下停留在這種蟲洞旁邊。 當我們試圖穿過它時, 飛船會在彎曲時空中沿着一條特殊軌跡的側地線運動, 最終從另一端出去。 如果想要實現穿越, 就需要將飛船對準蟲洞中心, 光線會被這種幾何形狀所偏轉, 而蟲洞也如同一個透鏡, 扭曲了附近星體的圖像, 使我們能夠觀察到蟲洞另一側的宇宙景象。 因此, 莫里斯索恩蟲洞似乎滿足了星際旅行的必要條件, 但問題是, 該理論模型仍然需要依賴於一個持續散發負能量的球體 來抵抗時空的張力, 使其內部不會出現坍縮的情況。 基於廣義相對論所得出的拓撲審查定理指出, 任何類似蟲洞的結構都將會自動關閉, 對於試圖接近它的所有觀察者而言都是如此。 所以, 長時間的負能量在數學上無法實現, 這意味着穩定的蟲洞不可能存在。 但廣義相對論也並非完美, 它並沒有考慮微觀尺度上的量子物理。 根據量子場論的解釋, 在我們的宇宙中充滿着量子場 並會被由虛粒子形成的波不斷地擾動着, 而這種粒子包含着正負兩種能量。 根據海森堡的不確定性原理, 真空其實是由正負粒子相抵消所形成的狀態, 以符合能量的守恆定律。 而所有虛粒子在空間中 則會形成一種反向的壓力, 從而產生一種負能量, 這就是卡西米爾效應。 所以, 即使廣義相對論否定了穩定蟲洞的存在, 而在量子場論中卻能得到這一問題的解決。 一些科學家甚至認爲 蟲洞與量子糾纏具有相似性。 雖然蟲洞目前僅停留在推測階段, 但它也是連接量子理論和引力理論的鑰匙, 使我們能夠加強現有理論並嘗試將其發揮到極限。 而迄今爲止, 能夠穿越蟲洞的人 或許也只有理論物理學家們的那艘方程式飛船。