能穿越时空的虫洞是怎么诞生的?(1)
其次,虫洞是用来穿越的。其实虫洞穿越最早是爱因斯坦和罗森在研究史瓦西时空时发现的一条“宇宙通道”。可惜他们当时发现的虫洞无法实现穿越功能。
后来,索恩等人在80年代对虫洞做出了贡献。理论上,发现了一些可以穿越的虫洞。事情的起因还源于当时著名天文学家、小说家萨根写的一本名为《接触》的小说。小说中有主人公通过黑洞穿越到织女星的情节。萨根当时对这个过程没有把握,就去问索恩,看从黑洞穿越是否可行。
作为相对论专家,索恩认为穿越黑洞几乎是不可能的。然而,如果黑洞被一些特殊的虫洞取代,似乎事情有了转机。所以索恩仔细研究了这件事,最后发表了一篇论文(这个情节好像和前些年索恩受邀担任科幻电影《星际穿越》的科学顾问一样,为电影设计了一个黑洞模型,考虑到它的科学性,最后发表了一篇论文)。
在详细介绍这个特殊的虫洞之前,我们有必要先解释一个我们经常看到的相对论科学的图片,如下:
看着这张图,是不是觉得很眼熟?这不就是物质弯曲时空示意图吗?有什么好介绍的?其实这张图真的需要好好介绍一下,因为很多人在听到时空弯曲这个词后看到图片时都会先入为主的产生一些联想,比如认为图片中弯曲的网格线就是真实的客观时空,而实际上真实的时空是看不见的。
之所以这样描绘画面,是因为弯曲这个词可以足够直观地描绘出来。甚至我还要告诉你,图中弯曲的网格线,其实只是天体赤道面上的空间几何。对,只是赤道面上的空间情况,因为空间尺度的径向坐标差不等于实际长度,所以是凹陷的影像。所以可以用一个欧几里得柱坐标来画出这个不等长,从而表现出空间弯曲的抽象性。
对于这种图片,科学家称之为嵌入图。为了更好的介绍嵌入图(介绍虫洞前的必要准备),下面我们来介绍一个简单的嵌入图。
假设宇宙中存在一个孤立的球形天体,且该天体不旋转,其携带的整体电荷为中性,那么该天体存在的时空称为史瓦西时空。
如果更广一点,我们就要用到伯克霍夫定理,这个定理告诉我们,真空爱因斯坦方程的球对称解一定是史瓦西解,即只要天体是球形的,附近空间没有其他物质,没有旋转,没有电荷,那么引力场方程的解就是史瓦西解。需要注意的是,这个定理告诉我们,只要物质是球对称的,天体就可以径向运动,比如沿着半径膨胀或者坍缩。
这个定理很有用,比如我们的太阳,从主序星到红巨星,我们可以用史瓦西解来描述周围的时空(虽然太阳周围有很多物质,而且它还有自转等附加因素,我们还是可以近似用史瓦西解)。
那么这样一个天体如何通过一个嵌入的图形来展现它对时空的影响呢?
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