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升級迭代的探測方法 能否助我們捕捉到蟲洞蹤影?

來源︰科技日報作者︰何亮責任編輯︰李佳琦
2021-03-26 08:11

視覺中國供圖

在茫茫宇宙中,你需要踫巧遇見一個理想的蟲洞,而發現這個蟲洞需要你擁有記錄海量數據的能力,還需要你找得到、看得清。

戴德昌 揚州大學引力與宇宙學研究中心教授

蟲洞是愛因斯坦引力場方程的一組特解,是連接不同時空的狹窄通道。自從蟲洞的概念被提出,科學家們一直在探尋蟲洞“隱藏”于何方,希望利用其特性實現星際穿越。

去年8月,一項由俄羅斯天文學家領導的研究表明,蟲洞或許存在于某些非常明亮的星系中心,同時還提出了尋找蟲洞的新觀測方法——利用望遠鏡觀測從蟲洞一側飛出的物質與落入蟲洞的物質相撞產生的大量伽馬射線。相關研究結果發表于《皇家天文學會月刊》。

蟲洞依舊神秘,它真的存在嗎?探測蟲洞有哪些方法?這些方法真的可以帶領我們尋找蟲洞?

蟲洞與黑洞讓人“傻傻分不清”

1916年,德國天文學家卡爾•史瓦西通過計算得到了一個真空解,這個解表明,如果將大量物質集中于空間一點,其周圍事物都會“陷入”其中,連光也無法跳脫,這種“不可思議的天體”被稱為黑洞。

史瓦西發表論文幾個月後,奧地利物理學家弗萊姆也提出了一個解,這個解在1935年被愛因斯坦和內森•羅森做了一個線性代換,雖然還是黑洞解,但是它的幾何結構卻發生改變——經過“黑洞視界”後,事物會進入另一個世界,在新的世界它遠離視界面,而且新的環境中在球坐標的半徑逐漸增大。

一把打開新世界的鑰匙仿佛被發現。愛因斯坦預言,宇宙中存在一種連接著兩個不同時空的特殊“通道”,即“愛因斯坦—羅森橋”(蟲洞),我們可以通過穿越蟲洞的方式減少宇宙旅行的時間和距離。

雖然愛因斯坦的廣義相對論從數學上預測了蟲洞的存在,但迄今為止還沒有人發現它。俄羅斯天文學家提出,蟲洞或許存在于明亮的星系中心,是因為科學家預測那里正是超大黑洞的“棲身之所”,與黑洞極其相似的蟲洞也許就在其中。而美國俄勒岡大學理論物理學教授史蒂芬•許則表示︰“到目前為止,關于蟲洞的整個事情還是一種假設,沒有人認為我們很快就會發現蟲洞。”

一個極簡方程,兩個特殊求解。揚州大學引力與宇宙學研究中心教授戴德昌告訴科技日報記者,通過計算得到的黑洞和蟲洞,其世界外面幾乎一樣,讓人傻傻分不清楚,除非通過這個世界,不然你根本看不到有何不同。

尋覓證明蟲洞存在的蛛絲馬跡

縱然無法看到蟲洞或黑洞的內部世界,但科學家一直在尋覓可以證明蟲洞存在的“蛛絲馬跡”。

因為蟲洞可穿越的特性,科學家推測,圍繞蟲洞運行的恆星軌道,可能與圍繞黑洞運行的恆星軌道略有不同。具體而言,如果引力場可以通過蟲洞傳播,那麼恆星的軌道將受到影響,並偏離標準的史瓦西軌道。

此前,戴德昌團隊便從考察蟲洞口附近時空區域守恆律出發,分別計算了電荷、引力和標量場。檢查這三者是否可以穿過蟲洞,並影響蟲洞另外一側的時空。計算結果顯示,3種力的影響都可以透過蟲洞,在另外一側時空中留下痕跡。

戴德昌說︰“如果我們檢測到恆星軌道上有擾動,最有可能的解釋是其附近存在蟲洞。但我們不能肯定地說這一定是蟲洞造成的。因為其他因素也有可能擾亂這顆恆星的運動。”

同樣是尋找蟲洞,揚州大學引力與宇宙學研究中心吳健聘教授團隊采用的方法則是檢測“引力波回聲”。

“聲音在傳播過程中,如果遇到一堵牆,部分聲波將會被牆反射回來被我們听到,這是通常意義上的回聲。同樣,如果入射的引力波被反射,也會產生回聲,這就是所謂的引力波回聲。”吳健聘團隊成員、上海交通大學理論物理專業博士劉航介紹說。

吳健聘團隊利用的正是黑洞與蟲洞的本質差異。如果是黑洞,越過黑洞視界,光也無法逃脫,自然引力波也會被完全吸收而不會產生反射;如果黑洞視界是量子化的,或者一些特殊天體,如玻色星、蟲洞等,那麼會有部分引力波信號被反射,從而形成引力波回聲。因此,引力波回聲可作為檢測黑洞是經典的還是量子化的,或者是其他特殊星體的一種手段。

目前,吳健聘團隊已在魅影暗能量(phantom)蟲洞模型中找到了回聲信號,並且魅影暗能量狀態方程對回聲譜產生顯著的影響。一旦引力波回聲信號被檢測到,回聲譜中的暗能量狀態方程的特征可作為暗能量的一個局域測量。

吳健聘表示︰“雖然也有人對從引力波的數據中檢測到回聲信號表示懷疑,但是隨著新的地基探測器的升級,以及太空引力波觀測項目的建立,引力波回聲是否存在終將得到明確答案。”

“追捕”蟲洞的路上科學方法不斷升級

在“追捕”蟲洞的路上,探測技術要升級迭代,理論方法也在求新求變。

天文觀測“追捕”蟲洞,最主要的問題在于數據的積累和觀測精度的提升。科學家需要看到星際軌道上發生的變化,它是瞬息萬變的復雜過程。“這與2015年引力波被LIGO證實非常相似,在茫茫宇宙中,你需要踫巧遇見一個理想的蟲洞,而發現這個蟲洞需要你擁有記錄海量數據的能力,還需要你找得到、看得清。”戴德昌說。

今年全國兩會期間,全國政協委員、中國科學院高能物理研究所研究員、阿里原初引力波探測實驗室首席科學家張新民介紹,今年年中,阿里原初引力波探測實驗室預計完成1700個探測器的安裝,並開始試運行。此外,據全國人大代表、中國科學院院士、天琴計劃首席科學家羅俊透露,“天琴二號”衛星多項關鍵技術完成地面驗證,為我國自主的空間引力波探測方案天琴計劃的最終實現再下一城,這意味著中國距離在太空中建成一個探測引力波的天文台又近了一步。

除了深空探測外,理論猜想也在發展。

2013年,阿根廷物理學家胡安•馬爾達西那和美國斯坦福大學的萊昂納特•薩斯坎德提出了一個著名的猜想——蟲洞與量子糾纏的等價性。

戴德昌介紹,蟲洞與量子糾纏間的相似性確實非常明顯,蟲洞可以短暫地形成且本身難以穩定存在,基于這些相似性,有學者認為,以“量子糾纏”為中心,每對糾纏的量子對之間都由一個量子蟲洞相連,被這種微觀的蟲洞連接起來的兩個量子對在特殊的空間結構中實際上是接近的,量子對之間的距離應該根據最小路徑來定義,而這種距離重新定義了時空的幾何。

但是,戴德昌最後說,如果真的認為蟲洞就是量子糾纏的話,那我們未來又要如何驗證這個假設呢?這是一個挑戰。

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