◎ 科技日报采访人员 过国忠 通讯员 张运 荐小纯
星汉灿烂 ， 宇宙浩瀚 。 两个相隔数百万光年的星系 ， 即便以光速前进 ， 也需要数百万年才能到达 。 然而 ， 在一些科幻电影中 ， 人们通过虫洞能够实现时空穿越 。
【团队|穿越时空？我国科学家找到构造“类虫洞”的新思路】虫洞又称爱因斯坦－罗森桥 ， 是理论中连接不同时空区域的狭窄“出入口” ， 通过穿越虫洞的方式减少宇宙旅行的时间和距离 。
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” 。
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3月30日 ， 科技日报采访人员了解到 ， 国际知名期刊《欧洲物理杂志C辑》日前以封面文章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 。
很多人对虫洞的理解停留在科幻作品中
“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 。
1905年 ， 爱因斯坦发表狭义相对论后 ， 他开始着眼于如何将引力纳入狭义相对论框架的思考 。 在历经多次弯路和错误之后 ， 1915年 ， 他正式提出著名的爱因斯坦引力场方程 ， 把时间、空间和物质、运动这四个自然界最基本的物理量联系了起来 。
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 。 在世界面内的事物都会‘陷入’其中无法跳脱 。 ”戴德昌说 ， 这种“不可思议的天体”被称为黑洞 。
1935年爱因斯坦和内森·罗森对史瓦西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”（即黑洞边界）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“爱因斯坦—罗森桥”（虫洞） ， 人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 。 ”戴德昌教授说 ， 一个极简方程 ， 两个可能性 。 黑洞和虫洞的视界面外几乎一样 ， 让人傻傻分不清楚 ， 除非通过这个视界面 ， 不然你根本看不到有何不同 。
研究形成了系列间接成果
虫洞在哪里？
“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’ 。 ”戴德昌说 。
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采访人员了解到 ， 多年来 ， 戴德昌团队对虫洞展开了一系列深入研究 。 他们认为 ， 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 。
为此 ， 戴德昌团队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 ， 检查这三者的效应是否可以穿过虫洞 ， 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 。
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 ， 戴德昌等人开始研究引力或电磁波穿越虫洞引起另一侧扰动的可能性 。 他们认为 ， 如果存在虫洞 ， 那么观测通过黑洞附近的恒星的运动加速度 ， 可以观测到这个虫洞带来的物理效应 。
“只要虫洞确实存在 ， 它所连接的了解我们可以互相影响 。 ”戴德昌说 ，
经过慎重的计算与筛选 ， 我们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Kip Thorne教授极高评价 ， 美国《纽约时报》以“如何穿越虫洞”为题进行大幅报道 。
目前还不能保证这种
“类虫洞”结构的稳定性
如何穿越虫洞？近一百年来 ， 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 。
戴德昌告诉采访人员 ， 一方面 ， 深空探测的技术一直在升级迭代；另一方面 ， 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 。
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“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王元君教授说 。
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 。
2013年 ， 斯坦福大学教授萨斯坎德共同提出了ER=EPR猜想 ， 并认为量子纠缠可能和虫洞有关系 ， 即虫洞就是这一对黑洞的量子纠缠 。
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 ， 当前 ， 戴德昌团队最新的研究带来了新的转机和方向 。
“我们团队首次在‘膜宇宙’模型的基础下研究‘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 。 物质在膜上的距离可能很远 ， 但是在高维空间中却很近 。
“物质和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 ， 物质可以通过这个结构直接来到远处 。 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 ， 戴德昌团队又展开了大量理论计算探究“类虫洞”的形成条件 。
戴德昌介绍 ， 他和团队人员选择两个都是太阳质量的物体 ， 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都可能形成虫洞结构 。
戴德昌团队研究还发现 ， 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 ， 那么他们即便形成虫洞也无法通过 ， 因为物质无法穿过黑洞视界 。 “如果两个大质量物体是中子星或者其他不存在视界的物体 ， 那么理论上这个虫洞是可通过的 。 ”戴德昌说 。
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 。
“因此 ， 我们团队的设想中是不需要额外的负能量来制造虫洞 。 这为构建虫洞提供了一个全新的思路 。 ”戴德昌说 。 “但目前还不能保证这种‘类虫洞’结构的稳定性 。 ”戴德昌说 ， 虫洞很可能分裂成一堆碎片来使自己的能量最小化 。
戴德昌最后介绍 ， 为了验证这个想法 ， 他们仍需要对稳定性进行全面分析 ， 这也是团队未来进一步重点研究方向 。
来源：科技日报 ， 文中图片由受访者提供
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