蟲洞有多真實? 科學家搜尋時空中的隧道

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可以進行時光旅行的時空隧道「蟲洞」充斥在許多科幻文學中,這些科幻中存在多少真實性?答案可能比你想像的還多。科學家們正在尋找可以穿越蟲洞(如果蟲洞存在的話)的方法,來進行比光速還要快的旅行,甚至是在時間裡旅行。

物理學家 Eric Davis 寫 EMAIL 給Space.com說:「可穿越的蟲洞(traversable wormhole)是一種超空間隧道,亦稱為喉(throat),連接我們宇宙中的兩個遠程區域、兩個不同的宇宙(如果存在其他宇宙的話)、兩個不同時間帶(如:時光旅行),或是不同的空間維度。」

Davis 是Tau Zero 基金會成員,專精於研究時空領域,他用愛因斯坦廣義相對論方程式來思考是否可能設計出可以穿越的蟲洞,製造時空跳躍機。

建立蟲洞

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蟲洞是由數學家 Ludwig Flamm於1916年首次提出,他常常運用愛因斯坦的廣義相對論來描述重力如何扭曲時空,亦即物理真實結構。物理學家 Kip Thorne(已從加州技術研究所退休)指出雖然連接時空的隧道理論上是可能存在的,但科學家們對於蟲洞是否會形成還沒有達成共識,也還沒有偵測到任何蟲洞。

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Thorne和幾個同事也演示了即使蟲洞出現,可能在物體(或人)還沒通過之前就已經封閉了。要讓蟲洞開啟足夠時間讓物體可以穿越,需要一些鷹架支撐,這項工作需要「特殊材料」才有可能做到,普通物質是沒有辦法的。

Davis 說:「暗能量是自然發生的特殊材料,其負壓會產生引力斥力讓我們宇宙中的空間向外伸展,進而讓宇宙膨脹擴張。」

除了暗能量,科學家們還知道另外一種比普通物質還多上五倍的特殊材料,稱為「暗物質」。迄今為止,科學家們還無法直接偵測到暗物質或是暗能量,這些材料還有太多的未知,只能利用查看它們對周圍空間的影響來進行了解。

根據在賽普勒斯東地中海大學任職的Ali Övgün 所說,蟲洞可能在暗物質存在的地方形成,因此它們可能出現在有暗物質存在的銀河系外部區域,以及其他存在暗物質的星系。Övgün 正努力研究想要證明在高密度暗物質的地區,蟲洞存在的可能性。他與同事進行了許多模擬顯示出存在於高密度暗物質星系區域的蟲洞可以滿足科學家們所認知的隧道條件。

Övgün說:「但這只是數學上的證明。我希望有一天可以找到直接的實驗證明。」

那麼,如果人類或儀器穿越蟲洞的時候會發生什麼事呢?

Davis 說:「什麼都不會發生!太空船或旅人在經過這個可穿越的蟲洞隧道時,其時空幾何需要他們處在沒有奇怪或不可接受的重力引力潮汐力作用的狀態下。他們從靠近地球這端的「喉」出發,接著經過隧道出現在靠近目標恆星的另一端。」

因為這些理論隧道穿越了時空,因此在外部觀察者看起來,旅行者的穿越速度比光速還快(faster than light,FTL);但從旅行者的觀點來看,他們的速度沒有超過光速。外部觀察者會以為旅行者超越光速,是因為旅行者實際上所行經的路徑比外部觀察者所預期的普通路徑還短。

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科學家們需要先找到蟲洞才有可能使用它們,但到目前為止還沒有發現任何蟲洞。如果蟲洞真的存在,要利用時空定位隧道也許沒有看起來的那麼困難。

Övgün 說:「就像在電影『星際效應』中顯現出來的蟲洞,未來可能會有一些間接觀察蟲洞的實驗出現。」

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他基於這些蟲洞理論比較「透過蟲洞窺視」與「愛麗絲透過鏡子所見」(Alice’s glimpse through the looking glass,英文命名與Lewis Carroll的小說相同),因為與曲面鏡反射類似的扭曲現象,讓隧道較遠一端的空間區域會與入口區大大不同。另一個跡象則是當光通過蟲洞隧道時會集中,就像風吹過實體隧道時的情況。

Davis 提到在蟲洞近端的樣子看起來會像「彩虹散射效應(rainbow caustic effect)」。這樣的效應在遠方也看得到。

Davis 說:「天文學家們計畫用望遠鏡尋找這種彩虹散射效應,來找出不論是自然形成還是外星人製造的蟲洞。我沒有聽說這計畫有沒有實施。」

時光旅行

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Thorne 的蟲洞研究中有一部分提到蟲洞可以用來做時光旅行的思想實驗。時光旅行的思想實驗通常存在著矛盾,最著名的就是祖父悖論:如果有個人回到過去殺了自己的祖父,這個人就不會出生,那麼這個不存在的人一開始就不可能回到過去殺了自己的祖父。這似乎顯示出回到過去是不可能的,但根據 Davis 所說,Thorne的發現開啟了新的科學探索方向。

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Davis 說:「整個理論物理學都是在那之後產生的,讓其他時空技術發展可以產生出簡單不矛盾的時光機。」

雖然利用蟲洞進行時光旅行可能會引起科幻迷(或是想要改變過去的人)的興趣,但Davis 說目前的理論顯示出,想要製造蟲洞時光機,隧道一端需要加速到接近光速,或是兩端都要接近光速。

Davis 說:「要製造蟲洞時光機是非常困難的,利用蟲洞在恆星之間進行 FTL 星際旅行就簡單多了。」

其他物理學家則認為要用蟲洞進行時光旅行會累積大量的能量,在蟲洞被用來當時光機之前,就會被稱為量子反作用(quantum back reaction)的過程破壞掉了。儘管如此,想像這些可能性還是滿有趣的。

Davis 說:「想像一下,如果人們可以進行時光旅行,可以做什麼或是發現什麼,至少會讓這些冒險變得很有趣。」

來源: Livescience