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跳出传统研究方式 通过“膜宇宙”探索“类虫洞”

2021-04-08 10:30 科技日报

戴德昌团队首次在“膜宇宙”模型的基础上研究虫洞结构生成机制。他们的研究成果首次跳出了传统虫洞研究方法。

在科幻电影中,总少不了通过虫洞实现时空穿越的桥段。

自虫洞的概念诞生以来,科学家们一直在讨论利用其实现时空穿越的可能性。但发现虫洞,甚至构建或穿越虫洞,一直是物理学研究前沿最热也是最难解的“悬案”。

3月30日,科技日报记者了解到,国际知名期刊《欧洲物理杂志C辑》日前以封面文章的形式介绍了扬州大学引力与宇宙学研究中心戴德昌教授团队完成的最新研究成果。值得关注的是,这项研究成果首次跳出传统虫洞研究方法,从“膜宇宙”的角度探讨构建“类虫洞”的可能性及方法。

迄今为止没有人发现虫洞

什么是虫洞?“很多人对虫洞的理解,停留在科幻作品中的时空通道。”戴德昌说,但在科学家看来,虫洞却是一个经过严格数学推理的物理模型。

戴德昌介绍,1916年,德国天文学家卡尔·史瓦西通过计算得到第一个“黑洞解”,即如果质量过度集中于空间中,其周围会形成一个连光都无法脱离的区域。

“这个区域的边界称为视界面。在视界面内的事物都会‘陷入’黑洞中无法挣脱。”戴德昌说。

1935年爱因斯坦和内森·罗森对史瓦西的黑洞解做了一个线性代换,形成一个新的度规(规定变量值或点的位置的一种方法)。

这个新的度规显示当物质经过“黑洞视界”(即视界面)后,会进入另一个世界。

根据这个解,爱因斯坦预言,宇宙中存在一种连接着不同时空的特殊通道即虫洞,人们可以通过穿越这种通道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。”戴德昌说。

从观测恒星的运动偏差入手

2016年,美国激光干涉引力波天文台捕捉到两个黑洞合并产生的引力波时,发现这个引力波有回声,于是有人猜测,这个回声是经由虫洞传到对边,又返回来形成的。

受此启发,戴德昌团队开始研究引力波或电磁波穿越虫洞引起另一侧扰动的可能性。团队认为,在虫洞对面的东西会影响我们自身宇宙的引力或重力加速度,所以研究大质量星体(或黑洞)附近的

恒星运动,就可以确定其有没有受到来自其他世界或物质的影响。如果恒星的运动速度偏离现有理论预言,就表示有可能存在未知的物质或虫洞。

经过慎重的计算与筛选,团队选择位于银河系中心的超大质量黑洞人马座A星(位于银河系银心的一个非常光亮及致密的射电波源,很可能是离地球最近的超大质量黑洞所在处)附近的恒星S2进行观测,力图捕捉到虫洞踪影。

“观测数据虽仍在进行中,目前尚不能完全证明虫洞的存在,但我们已经形成了系列间接成果。”戴德昌说。

2019年,戴德昌团队在国际知名杂志《物理评论D辑》上发表文章,团队研究发现虫洞所连接的宇宙可以和我们宇宙里面的物质产生交互作用。

该项研究成果得到诺贝尔奖得主美国加州理工大学教授基普索恩极高评价,美国《纽约时报》以“如何穿越虫洞”为题对该项研究成果进行了大幅报道。

“类虫洞”尚不能保证结构稳定

如何穿越虫洞?“近100年来,虫洞以其独特的魅力吸引着无数科学家投身到穿越时空的探索中。”戴德昌说,虽然深空探测的技术一直在升级迭代,相关理论也在不断求新求变。但穿越虫洞一直是一个遥不可及的梦想。

“虽然人们很早就从理论上证明了虫洞的存在,但当前主流的理论却认为虫洞无法用作星际穿越。”扬州大学引力与宇宙学研究中心教授王元君说。

王元君介绍,在广义相对论中,虫洞极度弯曲,无法稳定存在,需要负能量支撑。而根据目前的理论,在宏观尺度上是无法制造出负能量的。

另外,理论认为真空量子扰动可能会提供局部负能量,进而形成微观虫洞,但是其相关机理和形成机制,目前还无法应用到宏观领域。

但令人惊喜的是,戴德昌团队的最新研究为探寻虫洞带来了新的转机。“我们团队首次在‘膜宇宙’模型的基础上研究虫洞结构生成机制。”戴德昌说,所谓“膜宇宙”指的是科学家们认为我们的宇宙是在更高维时空中的一片膜。

“两张膜上物质间的引力作用可以抵抗膜的张力,并造成膜变形,最后两个物质可能会吸附在一起,并把膜连结在一起。”戴德昌说。

“如果膜没有反弹回去,就会形成一个新的拓扑结构。”戴德昌说,“这样的效应很像虫洞。因此我们称之为‘类虫洞’结构。”

为了验证这种“脑洞大开”的想法,团队展开了大量理论计算探究“类虫洞”的形成条件。

戴德昌介绍,他们团队选择两个与太阳质量相当的物体,计算了两个膜(平行宇宙)之间合理的张力值和距离大小。研究发现,两个宇宙形成“类虫洞”的条件,取决于膜的张力条件。极端条件下,如果张力为零,任何两个质量不为零的物体间都可能形成“类虫洞”结构。

他们的研究还发现,在一定的膜张力下形成“类虫洞”,如果这两个大质量物体是黑洞的话,那么它们之间即便形成虫洞也无法通过,因为物质无法穿过黑洞视界。但如果两个大质量物体是中子星或者其他不存在视界面的物体,那么理论上它们之间形成的虫洞是可通过的。因而,戴德昌团队首次从物理学角度证明了宏观领域穿越虫洞的可能性。此外,团队还采用膜的张力来替代负能量所扮演的角色。

“在我们团队的设想中是不需要额外的负能量来制造虫洞的。这为构建虫洞提供了一个全新的思路。但目前还不能保证这种‘类虫洞’结构的稳定性。”戴德昌说。

戴德昌最后介绍,为了验证这个想法,我们仍需要对这类“类虫洞”稳定性进行全面分析,这也是团队未来进一步重点研究的方向。

责任编辑:蔡健雅(QZ0020)

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