蟲(chóng)洞真的存在嗎?“追捕”蟲(chóng)洞的路上科學(xué)方法不斷升級(jí)

在茫茫宇宙中，你需要碰巧遇見(jiàn)一個(gè)理想的蟲(chóng)洞，而發(fā)現(xiàn)這個(gè)蟲(chóng)洞需要你擁有記錄海量數(shù)據(jù)的能力，還需要你找得到、看得清。

戴德昌揚(yáng)州大學(xué)引力與宇宙學(xué)研究中心教授

蟲(chóng)洞是愛(ài)因斯坦引力場(chǎng)方程的一組特解，是連接不同時(shí)空的狹窄通道。自從蟲(chóng)洞的概念被提出，科學(xué)家們一直在探尋蟲(chóng)洞“隱藏”于何方，希望利用其特性實(shí)現(xiàn)星際穿越。

去年8月，一項(xiàng)由俄羅斯天文學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的研究表明，蟲(chóng)洞或許存在于某些非常明亮的星系中心，同時(shí)還提出了尋找蟲(chóng)洞的新觀測(cè)方法——利用望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)從蟲(chóng)洞一側(cè)飛出的物質(zhì)與落入蟲(chóng)洞的物質(zhì)相撞產(chǎn)生的大量伽馬射線。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表于《皇家天文學(xué)會(huì)月刊》。

蟲(chóng)洞依舊神秘，它真的存在嗎?探測(cè)蟲(chóng)洞有哪些方法?這些方法真的可以帶領(lǐng)我們尋找蟲(chóng)洞?

蟲(chóng)洞與黑洞讓人“傻傻分不清”

1916年，德國(guó)天文學(xué)家卡爾·史瓦西通過(guò)計(jì)算得到了一個(gè)真空解，這個(gè)解表明，如果將大量物質(zhì)集中于空間一點(diǎn)，其周?chē)挛锒紩?huì)“陷入”其中，連光也無(wú)法跳脫，這種“不可思議的天體”被稱(chēng)為黑洞。

史瓦西發(fā)表論文幾個(gè)月后，奧地利物理學(xué)家弗萊姆也提出了一個(gè)解，這個(gè)解在1935年被愛(ài)因斯坦和內(nèi)森·羅森做了一個(gè)線性代換，雖然還是黑洞解，但是它的幾何結(jié)構(gòu)卻發(fā)生改變——經(jīng)過(guò)“黑洞視界”后，事物會(huì)進(jìn)入另一個(gè)世界，在新的世界它遠(yuǎn)離視界面，而且新的環(huán)境中在球坐標(biāo)的半徑逐漸增大。

一把打開(kāi)新世界的鑰匙仿佛被發(fā)現(xiàn)。愛(ài)因斯坦預(yù)言，宇宙中存在一種連接著兩個(gè)不同時(shí)空的特殊“通道”，即“愛(ài)因斯坦—羅森橋”(蟲(chóng)洞)，我們可以通過(guò)穿越蟲(chóng)洞的方式減少宇宙旅行的時(shí)間和距離。

雖然愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論從數(shù)學(xué)上預(yù)測(cè)了蟲(chóng)洞的存在，但迄今為止還沒(méi)有人發(fā)現(xiàn)它。俄羅斯天文學(xué)家提出，蟲(chóng)洞或許存在于明亮的星系中心，是因?yàn)榭茖W(xué)家預(yù)測(cè)那里正是超大黑洞的“棲身之所”，與黑洞極其相似的蟲(chóng)洞也許就在其中。而美國(guó)俄勒岡大學(xué)理論物理學(xué)教授史蒂芬·許則表示：“到目前為止，關(guān)于蟲(chóng)洞的整個(gè)事情還是一種假設(shè)，沒(méi)有人認(rèn)為我們很快就會(huì)發(fā)現(xiàn)蟲(chóng)洞。”

一個(gè)極簡(jiǎn)方程，兩個(gè)特殊求解。揚(yáng)州大學(xué)引力與宇宙學(xué)研究中心教授戴德昌告訴科技日?qǐng)?bào)記者，通過(guò)計(jì)算得到的黑洞和蟲(chóng)洞，其世界外面幾乎一樣，讓人傻傻分不清楚，除非通過(guò)這個(gè)世界，不然你根本看不到有何不同。

尋覓證明蟲(chóng)洞存在的蛛絲馬跡

縱然無(wú)法看到蟲(chóng)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(chóng)洞存在的“蛛絲馬跡”。

因?yàn)橄x(chóng)洞可穿越的特性，科學(xué)家推測(cè)，圍繞蟲(chóng)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。具體而言，如果引力場(chǎng)可以通過(guò)蟲(chóng)洞傳播，那么恒星的軌道將受到影響，并偏離標(biāo)準(zhǔn)的史瓦西軌道。

此前，戴德昌團(tuán)隊(duì)便從考察蟲(chóng)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)。檢查這三者是否可以穿過(guò)蟲(chóng)洞，并影響蟲(chóng)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(guò)蟲(chóng)洞，在另外一側(cè)時(shí)空中留下痕跡。

戴德昌說(shuō)：“如果我們檢測(cè)到恒星軌道上有擾動(dòng)，最有可能的解釋是其附近存在蟲(chóng)洞。但我們不能肯定地說(shuō)這一定是蟲(chóng)洞造成的。因?yàn)槠渌蛩匾灿锌赡軘_亂這顆恒星的運(yùn)動(dòng)。”

同樣是尋找蟲(chóng)洞，揚(yáng)州大學(xué)引力與宇宙學(xué)研究中心吳健聘教授團(tuán)隊(duì)采用的方法則是檢測(cè)“引力波回聲”。

“聲音在傳播過(guò)程中，如果遇到一堵墻，部分聲波將會(huì)被墻反射回來(lái)被我們聽(tīng)到，這是通常意義上的回聲。同樣，如果入射的引力波被反射，也會(huì)產(chǎn)生回聲，這就是所謂的引力波回聲。”吳健聘團(tuán)隊(duì)成員、上海交通大學(xué)理論物理專(zhuān)業(yè)博士劉航介紹說(shuō)。

吳健聘團(tuán)隊(duì)利用的正是黑洞與蟲(chóng)洞的本質(zhì)差異。如果是黑洞，越過(guò)黑洞視界，光也無(wú)法逃脫，自然引力波也會(huì)被完全吸收而不會(huì)產(chǎn)生反射;如果黑洞視界是量子化的，或者一些特殊天體，如玻色星、蟲(chóng)洞等，那么會(huì)有部分引力波信號(hào)被反射，從而形成引力波回聲。因此，引力波回聲可作為檢測(cè)黑洞是經(jīng)典的還是量子化的，或者是其他特殊星體的一種手段。

目前，吳健聘團(tuán)隊(duì)已在魅影暗能量(phantom)蟲(chóng)洞模型中找到了回聲信號(hào)，并且魅影暗能量狀態(tài)方程對(duì)回聲譜產(chǎn)生顯著的影響。一旦引力波回聲信號(hào)被檢測(cè)到，回聲譜中的暗能量狀態(tài)方程的特征可作為暗能量的一個(gè)局域測(cè)量。

吳健聘表示：“雖然也有人對(duì)從引力波的數(shù)據(jù)中檢測(cè)到回聲信號(hào)表示懷疑，但是隨著新的地基探測(cè)器的升級(jí)，以及太空引力波觀測(cè)項(xiàng)目的建立，引力波回聲是否存在終將得到明確答案。”

“追捕”蟲(chóng)洞的路上科學(xué)方法不斷升級(jí)

在“追捕”蟲(chóng)洞的路上，探測(cè)技術(shù)要升級(jí)迭代，理論方法也在求新求變。

天文觀測(cè)“追捕”蟲(chóng)洞，最主要的問(wèn)題在于數(shù)據(jù)的積累和觀測(cè)精度的提升?？茖W(xué)家需要看到星際軌道上發(fā)生的變化，它是瞬息萬(wàn)變的復(fù)雜過(guò)程。“這與2015年引力波被LIGO證實(shí)非常相似，在茫茫宇宙中，你需要碰巧遇見(jiàn)一個(gè)理想的蟲(chóng)洞，而發(fā)現(xiàn)這個(gè)蟲(chóng)洞需要你擁有記錄海量數(shù)據(jù)的能力，還需要你找得到、看得清。”戴德昌說(shuō)。

今年全國(guó)兩會(huì)期間，全國(guó)政協(xié)委員、中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所研究員、阿里原初引力波探測(cè)實(shí)驗(yàn)室首席科學(xué)家張新民介紹，今年年中，阿里原初引力波探測(cè)實(shí)驗(yàn)室預(yù)計(jì)完成1700個(gè)探測(cè)器的安裝，并開(kāi)始試運(yùn)行。此外，據(jù)全國(guó)人大代表、中國(guó)科學(xué)院院士、天琴計(jì)劃首席科學(xué)家羅俊透露，“天琴二號(hào)”衛(wèi)星多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)完成地面驗(yàn)證，為我國(guó)自主的空間引力波探測(cè)方案天琴計(jì)劃的最終實(shí)現(xiàn)再下一城，這意味著中國(guó)距離在太空中建成一個(gè)探測(cè)引力波的天文臺(tái)又近了一步。

除了深空探測(cè)外，理論猜想也在發(fā)展。

2013年，阿根廷物理學(xué)家胡安·馬爾達(dá)西那和美國(guó)斯坦福大學(xué)的萊昂納特·薩斯坎德提出了一個(gè)著名的猜想——蟲(chóng)洞與量子糾纏的等價(jià)性。

戴德昌介紹，蟲(chóng)洞與量子糾纏間的相似性確實(shí)非常明顯，蟲(chóng)洞可以短暫地形成且本身難以穩(wěn)定存在，基于這些相似性，有學(xué)者認(rèn)為，以“量子糾纏”為中心，每對(duì)糾纏的量子對(duì)之間都由一個(gè)量子蟲(chóng)洞相連，被這種微觀的蟲(chóng)洞連接起來(lái)的兩個(gè)量子對(duì)在特殊的空間結(jié)構(gòu)中實(shí)際上是接近的，量子對(duì)之間的距離應(yīng)該根據(jù)最小路徑來(lái)定義，而這種距離重新定義了時(shí)空的幾何。

但是，戴德昌最后說(shuō)，如果真的認(rèn)為蟲(chóng)洞就是量子糾纏的話，那我們未來(lái)又要如何驗(yàn)證這個(gè)假設(shè)呢?這是一個(gè)挑戰(zhàn)。(記者 何 亮)

關(guān)鍵詞： 蟲(chóng)洞 存在 科學(xué)方法