升级迭代的探测方法 能否助我们捕捉到虫洞踪影?
2021-03-23 11:28:00  来源:科技日报  
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虫洞是爱因斯坦引力场方程的一组特解,是连接不同时空的狭窄通道。自从虫洞的概念被提出,科学家们一直在探寻虫洞“隐藏”于何方,希望利用其特性实现星际穿越。

去年8月,一项由俄罗斯天文学家领导的研究表明,虫洞或许存在于某些非常明亮的星系中心,同时还提出了寻找虫洞的新观测方法——利用望远镜观测从虫洞一侧飞出的物质与落入虫洞的物质相撞产生的大量伽马射线。相关研究结果发表于《皇家天文学会月刊》。

虫洞依旧神秘,它真的存在吗?探测虫洞有哪些方法?这些方法真的可以带领我们寻找虫洞?

虫洞与黑洞让人“傻傻分不清”

1916年,德国天文学家卡尔史瓦西通过计算得到了一个真空解,这个解表明,如果将大量物质集中于空间一点,其周围事物都会“陷入”其中,连光也无法跳脱,这种“不可思议的天体”被称为黑洞。

史瓦西发表论文几个月后,奥地利物理学家弗莱姆也提出了一个解,这个解在1935年被爱因斯坦和内森罗森做了一个线性代换,虽然还是黑洞解,但是它的几何结构却发生改变——经过“黑洞视界”后,事物会进入另一个世界,在新的世界它远离视界面,而且新的环境中在球坐标的半径逐渐增大。

一把打开新世界的钥匙仿佛被发现。爱因斯坦预言,宇宙中存在一种连接着两个不同时空的特殊“通道”,即“爱因斯坦—罗森桥”(虫洞),我们可以通过穿越虫洞的方式减少宇宙旅行的时间和距离。

虽然爱因斯坦的广义相对论从数学上预测了虫洞的存在,但迄今为止还没有人发现它。俄罗斯天文学家提出,虫洞或许存在于明亮的星系中心,是因为科学家预测那里正是超大黑洞的“栖身之所”,与黑洞极其相似的虫洞也许就在其中。而美国俄勒冈大学理论物理学教授史蒂芬许则表示:“到目前为止,关于虫洞的整个事情还是一种假设,没有人认为我们很快就会发现虫洞。”

一个极简方程,两个特殊求解。扬州大学引力与宇宙学研究中心教授戴德昌告诉科技日报记者,通过计算得到的黑洞和虫洞,其世界外面几乎一样,让人傻傻分不清楚,除非通过这个世界,不然你根本看不到有何不同。

寻觅证明虫洞存在的蛛丝马迹

纵然无法看到虫洞或黑洞的内部世界,但科学家一直在寻觅可以证明虫洞存在的“蛛丝马迹”。

因为虫洞可穿越的特性,科学家推测,围绕虫洞运行的恒星轨道,可能与围绕黑洞运行的恒星轨道略有不同。具体而言,如果引力场可以通过虫洞传播,那么恒星的轨道将受到影响,并偏离标准的史瓦西轨道。

此前,戴德昌团队便从考察虫洞口附近时空区域守恒律出发,分别计算了电荷、引力和标量场。检查这三者是否可以穿过虫洞,并影响虫洞另外一侧的时空。计算结果显示,3种力的影响都可以透过虫洞,在另外一侧时空中留下痕迹。

戴德昌说:“如果我们检测到恒星轨道上有扰动,最有可能的解释是其附近存在虫洞。但我们不能肯定地说这一定是虫洞造成的。因为其他因素也有可能扰乱这颗恒星的运动。”

同样是寻找虫洞,扬州大学引力与宇宙学研究中心吴健聘教授团队采用的方法则是检测“引力波回声”。

“声音在传播过程中,如果遇到一堵墙,部分声波将会被墙反射回来被我们听到,这是通常意义上的回声。同样,如果入射的引力波被反射,也会产生回声,这就是所谓的引力波回声。”吴健聘团队成员、上海交通大学理论物理专业博士刘航介绍说。

吴健聘团队利用的正是黑洞与虫洞的本质差异。如果是黑洞,越过黑洞视界,光也无法逃脱,自然引力波也会被完全吸收而不会产生反射;如果黑洞视界是量子化的,或者一些特殊天体,如玻色星、虫洞等,那么会有部分引力波信号被反射,从而形成引力波回声。因此,引力波回声可作为检测黑洞是经典的还是量子化的,或者是其他特殊星体的一种手段。

目前,吴健聘团队已在魅影暗能量(phantom)虫洞模型中找到了回声信号,并且魅影暗能量状态方程对回声谱产生显著的影响。一旦引力波回声信号被检测到,回声谱中的暗能量状态方程的特征可作为暗能量的一个局域测量。

吴健聘表示:“虽然也有人对从引力波的数据中检测到回声信号表示怀疑,但是随着新的地基探测器的升级,以及太空引力波观测项目的建立,引力波回声是否存在终将得到明确答案。”

“追捕”虫洞的路上科学方法不断升级

在“追捕”虫洞的路上,探测技术要升级迭代,理论方法也在求新求变。

天文观测“追捕”虫洞,最主要的问题在于数据的积累和观测精度的提升。科学家需要看到星际轨道上发生的变化,它是瞬息万变的复杂过程。“这与2015年引力波被LIGO证实非常相似,在茫茫宇宙中,你需要碰巧遇见一个理想的虫洞,而发现这个虫洞需要你拥有记录海量数据的能力,还需要你找得到、看得清。”戴德昌说。

今年全国两会期间,全国政协委员、中国科学院高能物理研究所研究员、阿里原初引力波探测实验室首席科学家张新民介绍,今年年中,阿里原初引力波探测实验室预计完成1700个探测器的安装,并开始试运行。此外,据全国人大代表、中国科学院院士、天琴计划首席科学家罗俊透露,“天琴二号”卫星多项关键技术完成地面验证,为我国自主的空间引力波探测方案天琴计划的最终实现再下一城,这意味着中国距离在太空中建成一个探测引力波的天文台又近了一步。

除了深空探测外,理论猜想也在发展。

2013年,阿根廷物理学家胡安马尔达西那和美国斯坦福大学的莱昂纳特萨斯坎德提出了一个著名的猜想——虫洞与量子纠缠的等价性。

戴德昌介绍,虫洞与量子纠缠间的相似性确实非常明显,虫洞可以短暂地形成且本身难以稳定存在,基于这些相似性,有学者认为,以“量子纠缠”为中心,每对纠缠的量子对之间都由一个量子虫洞相连,被这种微观的虫洞连接起来的两个量子对在特殊的空间结构中实际上是接近的,量子对之间的距离应该根据最小路径来定义,而这种距离重新定义了时空的几何。

但是,戴德昌最后说,如果真的认为虫洞就是量子纠缠的话,那我们未来又要如何验证这个假设呢?这是一个挑战。(何 亮)

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责编:梅源
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