星漢燦爛，宇宙浩瀚。兩個(gè)相隔數(shù)百萬光年的星系，即便以光速前進(jìn)，也需要數(shù)百萬年才能到達(dá)。然而，在一些科幻電影中，人們通過蟲洞能夠?qū)崿F(xiàn)時(shí)空穿越。

蟲洞又稱愛因斯坦－羅森橋，是理論中連接不同時(shí)空區(qū)域的狹窄“出入口”，通過穿越蟲洞的方式減少宇宙旅行的時(shí)間和距離。

自蟲洞的概念誕生以來，科學(xué)家們一直在討論利用其實(shí)現(xiàn)時(shí)空穿越的可能性。但發(fā)現(xiàn)蟲洞，甚至構(gòu)建或穿越蟲洞，一直是物理學(xué)研究前沿最熱也是最難解的“懸案”。

3月30日，科技日?qǐng)?bào)記者了解到，國際知名期刊《歐洲物理雜志C輯》日前以封面文章介紹了揚(yáng)州大學(xué)引力與宇宙學(xué)研究中心戴德昌教授團(tuán)隊(duì)完成的最新研究成果。

值得關(guān)注的是，這項(xiàng)研究成果首次跳出傳統(tǒng)蟲洞研究方法，從“膜宇宙”的角度探討構(gòu)建“類蟲洞”的可能性及方法。

很多人對(duì)蟲洞的理解停留在科幻作品中

“很多人對(duì)蟲洞的理解，停留在科幻作品中的時(shí)空通道?！贝鞯虏f，但在科學(xué)家看來，蟲洞卻是一個(gè)經(jīng)過嚴(yán)格數(shù)學(xué)推理的物理模型。

1905年，愛因斯坦發(fā)表狹義相對(duì)論后，他開始著眼于如何將引力納入狹義相對(duì)論框架的思考。在歷經(jīng)多次彎路和錯(cuò)誤之后，1915年，他正式提出著名的愛因斯坦引力場(chǎng)方程，把時(shí)間、空間和物質(zhì)、運(yùn)動(dòng)這四個(gè)自然界最基本的物理量聯(lián)系了起來。

戴德昌介紹，1916年，德國天文學(xué)家卡爾·史瓦西通過計(jì)算得到第一個(gè)“黑洞解”，即如果質(zhì)量過度集中于空間中，其周圍會(huì)形成一個(gè)連光都無法脫離的區(qū)域?！斑@個(gè)區(qū)域的邊界稱為視界面。在世界面內(nèi)的事物都會(huì)‘陷入’其中無法跳脫?！贝鞯虏f，這種“不可思議的天體”被稱為黑洞。

1935年愛因斯坦和內(nèi)森·羅森對(duì)史瓦西黑洞解做了一個(gè)線性代換，形成一個(gè)新的度規(guī)（規(guī)定變量值或點(diǎn)的位置的一種方法）。這個(gè)新的度規(guī)顯示當(dāng)物質(zhì)經(jīng)過“黑洞視界”（即黑洞邊界）后，會(huì)進(jìn)入另一個(gè)世界。

根據(jù)這個(gè)解，愛因斯坦預(yù)言，宇宙中存在一種連接著不同時(shí)空的特殊“通道”，即“愛因斯坦—羅森橋”（蟲洞），人們可以通過穿越蟲洞的方式減少宇宙旅行的時(shí)間和距離。

“雖然愛因斯坦的廣義相對(duì)論從數(shù)學(xué)上預(yù)測(cè)了蟲洞的存在，但迄今為止還沒有人發(fā)現(xiàn)它?！贝鞯虏淌谡f，一個(gè)極簡(jiǎn)方程，兩個(gè)可能性。黑洞和蟲洞的視界面外幾乎一樣，讓人傻傻分不清楚，除非通過這個(gè)視界面，不然你根本看不到有何不同。

研究形成了系列間接成果

蟲洞在哪里？

“縱然無法看到蟲洞或黑洞的內(nèi)部世界，但科學(xué)家一直在尋覓可以證明蟲洞存在的‘蛛絲馬跡’?！贝鞯虏f。

記者了解到，多年來，戴德昌團(tuán)隊(duì)對(duì)蟲洞展開了一系列深入研究。他們認(rèn)為，圍繞蟲洞運(yùn)行的恒星軌道，可能與圍繞黑洞運(yùn)行的恒星軌道略有不同。

為此，戴德昌團(tuán)隊(duì)從考察蟲洞口附近時(shí)空區(qū)域守恒律出發(fā)，分別計(jì)算了電荷、引力和標(biāo)量場(chǎng)，檢查這三者的效應(yīng)是否可以穿過蟲洞，并影響蟲洞另外一側(cè)的時(shí)空。

“計(jì)算結(jié)果顯示，3種力的影響都可以透過蟲洞，在另外一側(cè)時(shí)空中留下痕跡。”戴德昌說。

2016年，美國激光干涉引力波天文臺(tái)捕捉到兩個(gè)黑洞合并產(chǎn)生的引力波時(shí)，發(fā)現(xiàn)這個(gè)引力波有回聲，于是有人猜測(cè)，這個(gè)回聲是經(jīng)由蟲洞傳到對(duì)邊，又返回來形成的。

受此啟發(fā)，戴德昌等人開始研究引力或電磁波穿越蟲洞引起另一側(cè)擾動(dòng)的可能性。他們認(rèn)為，如果存在蟲洞，那么觀測(cè)通過黑洞附近的恒星的運(yùn)動(dòng)加速度，可以觀測(cè)到這個(gè)蟲洞帶來的物理效應(yīng)。

“只要蟲洞確實(shí)存在，它所連接的了解我們可以互相影響。”戴德昌說，

經(jīng)過慎重的計(jì)算與篩選，我們團(tuán)隊(duì)選擇位于銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞人馬座A星（位于銀河系銀心的一個(gè)非常光亮及致密的射電波源，很可能是離地球最近的超大質(zhì)量黑洞所在處）附近的恒星S2進(jìn)行觀測(cè)，力圖捕捉到蟲洞蹤影。

“觀測(cè)數(shù)據(jù)雖仍在進(jìn)行中，目前尚不能完全證明蟲洞的存在，但我們已經(jīng)形成了系列間接成果?！贝鞯虏f。

2019年，戴德昌團(tuán)隊(duì)在國際知名雜志《物理評(píng)論D輯》上發(fā)表文章，團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)蟲洞所連接的宇宙可以和我們宇宙里面的物質(zhì)產(chǎn)生交互作用。

該項(xiàng)研究成果得到諾貝爾獎(jiǎng)得主美國加州理工Kip Thorne教授極高評(píng)價(jià)，美國《紐約時(shí)報(bào)》以“如何穿越蟲洞”為題進(jìn)行大幅報(bào)道。

目前還不能保證這種

“類蟲洞”結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性

如何穿越蟲洞？近一百年來，蟲洞以其獨(dú)特的魅力吸引著無數(shù)科學(xué)家投身到穿越時(shí)空的探索中。

戴德昌告訴記者，一方面，深空探測(cè)的技術(shù)一直在升級(jí)迭代；另一方面，相關(guān)理論也在不斷求新求變。但穿越蟲洞一直是一個(gè)遙不可及的夢(mèng)想。

“雖然人們很早就從理論上證明了蟲洞的存在，但當(dāng)前主流的理論卻認(rèn)為蟲洞無法用作星際穿越。”揚(yáng)州大學(xué)引力與宇宙學(xué)研究中心王元君教授說。

王元君介紹，在廣義相對(duì)論中，蟲洞極度彎曲，無法穩(wěn)定存在，需要負(fù)能量支撐。而根據(jù)目前的理論，在宏觀尺度上是無法制造出負(fù)能量的。

2013年，斯坦福大學(xué)教授薩斯坎德共同提出了ER=EPR猜想，并認(rèn)為量子糾纏可能和蟲洞有關(guān)系，即蟲洞就是這一對(duì)黑洞的量子糾纏。

另外，理論認(rèn)為真空量子擾動(dòng)可能會(huì)提供局部負(fù)能量，進(jìn)而形成微觀蟲洞，但是其相關(guān)機(jī)理和形成機(jī)制，目前還無法應(yīng)用到宏觀領(lǐng)域。

但令人驚喜的是，當(dāng)前，戴德昌團(tuán)隊(duì)最新的研究帶來了新的轉(zhuǎn)機(jī)和方向。

“我們團(tuán)隊(duì)首次在‘膜宇宙’模型的基礎(chǔ)下研究‘蟲洞’結(jié)構(gòu)生成機(jī)制?！贝鞯虏f，所謂“膜宇宙”指的是科學(xué)家們認(rèn)為我們的宇宙是在更高維時(shí)空中的一片膜。物質(zhì)在膜上的距離可能很遠(yuǎn)，但是在高維空間中卻很近。

“物質(zhì)和物質(zhì)間的引力作用可以抵抗膜的張力并造成膜變形，最后兩個(gè)物質(zhì)吸附在一起并把膜連結(jié)在一起?！贝鞯虏f。“如果膜沒有反彈回去，就會(huì)形成一個(gè)新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。”戴德昌說，物質(zhì)可以通過這個(gè)結(jié)構(gòu)直接來到遠(yuǎn)處。這樣的效應(yīng)很像蟲洞。因此我們稱之為“類蟲洞”結(jié)構(gòu)。

為了驗(yàn)證這種“腦洞大開”的想法，戴德昌團(tuán)隊(duì)又展開了大量理論計(jì)算探究“類蟲洞”的形成條件。

戴德昌介紹，他和團(tuán)隊(duì)人員選擇兩個(gè)都是太陽質(zhì)量的物體，計(jì)算了兩個(gè)膜（平行宇宙）之間合理的張力值和距離大小。研究發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)宇宙形成“類蟲洞”的條件，取決于“膜”的張力條件。極端條件下，如果張力為零，任何兩個(gè)質(zhì)量不為零的物體都可能形成蟲洞結(jié)構(gòu)。

戴德昌團(tuán)隊(duì)研究還發(fā)現(xiàn)，在一定的膜張力下形成“類蟲洞”，如果這兩個(gè)大質(zhì)量物體是黑洞的話，那么他們即便形成蟲洞也無法通過，因?yàn)槲镔|(zhì)無法穿過黑洞視界?！叭绻麅蓚€(gè)大質(zhì)量物體是中子星或者其他不存在視界的物體，那么理論上這個(gè)蟲洞是可通過的?！贝鞯虏f。

因而，戴德昌團(tuán)隊(duì)首次從物理學(xué)角度證明了宏觀領(lǐng)域穿越蟲洞的可能性。此外，團(tuán)隊(duì)還采用膜的張力來替代負(fù)能量所扮演的角色。

“因此，我們團(tuán)隊(duì)的設(shè)想中是不需要額外的負(fù)能量來制造蟲洞。這為構(gòu)建蟲洞提供了一個(gè)全新的思路?！贝鞯虏f?！暗壳斑€不能保證這種‘類蟲洞’結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。”戴德昌說，蟲洞很可能分裂成一堆碎片來使自己的能量最小化。

戴德昌最后介紹，為了驗(yàn)證這個(gè)想法，他們?nèi)孕枰獙?duì)穩(wěn)定性進(jìn)行全面分析，這也是團(tuán)隊(duì)未來進(jìn)一步重點(diǎn)研究方向。

◎ 科技日?qǐng)?bào)記者 過國忠 通訊員 張運(yùn) 薦小純

來源：科技日?qǐng)?bào)，文中圖片由受訪者提供


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