通過(guò)“膜宇宙”探索“類蟲(chóng)洞” “類蟲(chóng)洞”尚不能保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定

在科幻電影中，總少不了通過(guò)蟲(chóng)洞實(shí)現(xiàn)時(shí)空穿越的橋段。

自蟲(chóng)洞的概念誕生以來(lái)，科學(xué)家們一直在討論利用其實(shí)現(xiàn)時(shí)空穿越的可能性。但發(fā)現(xiàn)蟲(chóng)洞，甚至構(gòu)建或穿越蟲(chóng)洞，一直是物理學(xué)研究前沿最熱也是最難解的“懸案”。

3月30日，科技日?qǐng)?bào)記者了解到，國(guó)際知名期刊《歐洲物理雜志C輯》日前以封面文章的形式介紹了揚(yáng)州大學(xué)引力與宇宙學(xué)研究中心戴德昌教授團(tuán)隊(duì)完成的最新研究成果。值得關(guān)注的是，這項(xiàng)研究成果首次跳出傳統(tǒng)蟲(chóng)洞研究方法，從“膜宇宙”的角度探討構(gòu)建“類蟲(chóng)洞”的可能性及方法。

迄今為止沒(méi)有人發(fā)現(xiàn)蟲(chóng)洞

什么是蟲(chóng)洞?“很多人對(duì)蟲(chóng)洞的理解，停留在科幻作品中的時(shí)空通道。”戴德昌說(shuō)，但在科學(xué)家看來(lái)，蟲(chóng)洞卻是一個(gè)經(jīng)過(guò)嚴(yán)格數(shù)學(xué)推理的物理模型。

戴德昌介紹，1916年，德國(guó)天文學(xué)家卡爾·史瓦西通過(guò)計(jì)算得到第一個(gè)“黑洞解”，即如果質(zhì)量過(guò)度集中于空間中，其周圍會(huì)形成一個(gè)連光都無(wú)法脫離的區(qū)域。

“這個(gè)區(qū)域的邊界稱為視界面。在視界面內(nèi)的事物都會(huì)‘陷入’黑洞中無(wú)法掙脫。”戴德昌說(shuō)。

1935年愛(ài)因斯坦和內(nèi)森·羅森對(duì)史瓦西的黑洞解做了一個(gè)線性代換，形成一個(gè)新的度規(guī)(規(guī)定變量值或點(diǎn)的位置的一種方法)。

這個(gè)新的度規(guī)顯示當(dāng)物質(zhì)經(jīng)過(guò)“黑洞視界”(即視界面)后，會(huì)進(jìn)入另一個(gè)世界。

根據(jù)這個(gè)解，愛(ài)因斯坦預(yù)言，宇宙中存在一種連接著不同時(shí)空的特殊通道即蟲(chóng)洞，人們可以通過(guò)穿越這種通道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。”戴德昌說(shuō)。

從觀測(cè)恒星的運(yùn)動(dòng)偏差入手

2016年，美國(guó)激光干涉引力波天文臺(tái)捕捉到兩個(gè)黑洞合并產(chǎn)生的引力波時(shí)，發(fā)現(xiàn)這個(gè)引力波有回聲，于是有人猜測(cè)，這個(gè)回聲是經(jīng)由蟲(chóng)洞傳到對(duì)邊，又返回來(lái)形成的。

受此啟發(fā)，戴德昌團(tuán)隊(duì)開(kāi)始研究引力波或電磁波穿越蟲(chóng)洞引起另一側(cè)擾動(dòng)的可能性。團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，在蟲(chóng)洞對(duì)面的東西會(huì)影響我們自身宇宙的引力或重力加速度，所以研究大質(zhì)量星體(或黑洞)附近的

恒星運(yùn)動(dòng)，就可以確定其有沒(méi)有受到來(lái)自其他世界或物質(zhì)的影響。如果恒星的運(yùn)動(dòng)速度偏離現(xiàn)有理論預(yù)言，就表示有可能存在未知的物質(zhì)或蟲(chóng)洞。

經(jīng)過(guò)慎重的計(jì)算與篩選，團(tuán)隊(duì)選擇位于銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞人馬座A星(位于銀河系銀心的一個(gè)非常光亮及致密的射電波源，很可能是離地球最近的超大質(zhì)量黑洞所在處)附近的恒星S2進(jìn)行觀測(cè)，力圖捕捉到蟲(chóng)洞蹤影。

“觀測(cè)數(shù)據(jù)雖仍在進(jìn)行中，目前尚不能完全證明蟲(chóng)洞的存在，但我們已經(jīng)形成了系列間接成果。”戴德昌說(shuō)。

2019年，戴德昌團(tuán)隊(duì)在國(guó)際知名雜志《物理評(píng)論D輯》上發(fā)表文章，團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)蟲(chóng)洞所連接的宇宙可以和我們宇宙里面的物質(zhì)產(chǎn)生交互作用。

該項(xiàng)研究成果得到諾貝爾獎(jiǎng)得主美國(guó)加州理工大學(xué)教授基普索恩極高評(píng)價(jià)，美國(guó)《紐約時(shí)報(bào)》以“如何穿越蟲(chóng)洞”為題對(duì)該項(xiàng)研究成果進(jìn)行了大幅報(bào)道。

“類蟲(chóng)洞”尚不能保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定

如何穿越蟲(chóng)洞?“近100年來(lái)，蟲(chóng)洞以其獨(dú)特的魅力吸引著無(wú)數(shù)科學(xué)家投身到穿越時(shí)空的探索中。”戴德昌說(shuō)，雖然深空探測(cè)的技術(shù)一直在升級(jí)迭代，相關(guān)理論也在不斷求新求變。但穿越蟲(chóng)洞一直是一個(gè)遙不可及的夢(mèng)想。

“雖然人們很早就從理論上證明了蟲(chóng)洞的存在，但當(dāng)前主流的理論卻認(rèn)為蟲(chóng)洞無(wú)法用作星際穿越。”揚(yáng)州大學(xué)引力與宇宙學(xué)研究中心教授王元君說(shuō)。

王元君介紹，在廣義相對(duì)論中，蟲(chóng)洞極度彎曲，無(wú)法穩(wěn)定存在，需要負(fù)能量支撐。而根據(jù)目前的理論，在宏觀尺度上是無(wú)法制造出負(fù)能量的。

另外，理論認(rèn)為真空量子擾動(dòng)可能會(huì)提供局部負(fù)能量，進(jìn)而形成微觀蟲(chóng)洞，但是其相關(guān)機(jī)理和形成機(jī)制，目前還無(wú)法應(yīng)用到宏觀領(lǐng)域。

但令人驚喜的是，戴德昌團(tuán)隊(duì)的最新研究為探尋蟲(chóng)洞帶來(lái)了新的轉(zhuǎn)機(jī)。“我們團(tuán)隊(duì)首次在‘膜宇宙’模型的基礎(chǔ)上研究蟲(chóng)洞結(jié)構(gòu)生成機(jī)制。”戴德昌說(shuō)，所謂“膜宇宙”指的是科學(xué)家們認(rèn)為我們的宇宙是在更高維時(shí)空中的一片膜。

“兩張膜上物質(zhì)間的引力作用可以抵抗膜的張力，并造成膜變形，最后兩個(gè)物質(zhì)可能會(huì)吸附在一起，并把膜連結(jié)在一起。”戴德昌說(shuō)。

“如果膜沒(méi)有反彈回去，就會(huì)形成一個(gè)新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。”戴德昌說(shuō)，“這樣的效應(yīng)很像蟲(chóng)洞。因此我們稱之為‘類蟲(chóng)洞’結(jié)構(gòu)。”

為了驗(yàn)證這種“腦洞大開(kāi)”的想法，團(tuán)隊(duì)展開(kāi)了大量理論計(jì)算探究“類蟲(chóng)洞”的形成條件。

戴德昌介紹，他們團(tuán)隊(duì)選擇兩個(gè)與太陽(yáng)質(zhì)量相當(dāng)?shù)奈矬w，計(jì)算了兩個(gè)膜(平行宇宙)之間合理的張力值和距離大小。研究發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)宇宙形成“類蟲(chóng)洞”的條件，取決于膜的張力條件。極端條件下，如果張力為零，任何兩個(gè)質(zhì)量不為零的物體間都可能形成“類蟲(chóng)洞”結(jié)構(gòu)。

他們的研究還發(fā)現(xiàn)，在一定的膜張力下形成“類蟲(chóng)洞”，如果這兩個(gè)大質(zhì)量物體是黑洞的話，那么它們之間即便形成蟲(chóng)洞也無(wú)法通過(guò)，因?yàn)槲镔|(zhì)無(wú)法穿過(guò)黑洞視界。但如果兩個(gè)大質(zhì)量物體是中子星或者其他不存在視界面的物體，那么理論上它們之間形成的蟲(chóng)洞是可通過(guò)的。因而，戴德昌團(tuán)隊(duì)首次從物理學(xué)角度證明了宏觀領(lǐng)域穿越蟲(chóng)洞的可能性。此外，團(tuán)隊(duì)還采用膜的張力來(lái)替代負(fù)能量所扮演的角色。

“在我們團(tuán)隊(duì)的設(shè)想中是不需要額外的負(fù)能量來(lái)制造蟲(chóng)洞的。這為構(gòu)建蟲(chóng)洞提供了一個(gè)全新的思路。但目前還不能保證這種‘類蟲(chóng)洞’結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。”戴德昌說(shuō)。

戴德昌最后介紹，為了驗(yàn)證這個(gè)想法，我們?nèi)孕枰獙?duì)這類“類蟲(chóng)洞”穩(wěn)定性進(jìn)行全面分析，這也是團(tuán)隊(duì)未來(lái)進(jìn)一步重點(diǎn)研究的方向。(過(guò)國(guó)忠張 運(yùn) 薦小純)