关于 虫洞、黑洞,你了解多少

 来,一起穿越曳曳星际(发现·探索星空的秘密(上))

         
  欧洲航天局发布的星系M60—UCD1中心超重黑洞图片。该黑洞是太阳质量的2100万倍。星系M60—UCD1是一个密度超高的矮星系,距离地球约5400万光年。

 

  电影《星际穿越》中,飞船穿越虫洞的画面。

 

  宇宙浩瀚,但人类的探索从未止步。无论是科幻电影还是科幻小说,都在书写对未来的思考、对未知的大胆想象。《星际穿越》就为我们讲述了当人类遭遇生存危机时,穿越星系,寻找新家园的故事。影片所描绘的情景令人神往,宇宙飞船通过穿越虫洞,抵达另一个星系。又通过进入黑洞内部,突破时间空间的藩篱,改变了人类命运。
 

  人民日报《发现》栏目邀请南开大学物理学院副教授李磊与本报记者周飞亚,聊聊虫洞、黑洞、五维空间、时空穿越等概念是否真的存在于宇宙中,人类距离真正了解它们,甚至实现电影中的穿越,还有多远?
 

 

  虫洞,真的存在吗?
 

  李磊:虫洞是在广义相对论中容许存在的一种特殊结构,它可以把时空中的两个点直接连接起来,不管这两点在空间距离上或时间间隔上相距多远。对它的简单理解,就如同一张纸上相隔较远的两个点,通过折叠将两点重合在一起。
 

  利用虫洞的特性,我们就有可能在较短的时间内完成远距离的空间旅行,或者进行时间旅行。不过,我们还没有在天文观测中找到虫洞存在的实验证据。在理论上也还存在各种各样的困难。例如,制造和维持虫洞可能需要具有负能量的物质。
 

  如果定义真空所具有的能量为零,那么我们通常提到的所有物质和它们的运动形式都具有正能量,负能量就是能量比真空还低。现在知道,只有量子物理中的卡西米尔效应可以提供非常微弱的负能量。所以,虫洞能否存在或制造出来,在理论上还要等待完全量子化的引力理论来作出判断。
 

  周飞亚:虫洞为啥叫虫洞?从苹果表面的一个点到另一个点,走的是一条弧线,但假如有一条虫子在两点之间蛀出一条通道爬过去,就可以走距离短得多的直线了。而我们所在的三维宇宙,就是苹果的表面。
 

  这个形象的概念,在1957年正式诞生,1985年首次出现在科幻小说中——这部大名鼎鼎的小说,就是卡尔·萨根所作、后来被拍成了电影的《接触》。值得一提的是,正是《接触》的流行,使物理学家对虫洞产生兴趣,进行了更深入的研究——作为科学与文学的结晶,科幻,就是以这样的方式反哺着“父母”。
 

  如今,在物理学意义上的虫洞有着多种模型,而在科幻小说和影视中,虫洞大都是以“交通要道”的面目出现的。这样的设定,表现了人们探索的欲望和对星空的向往。古往今来,人类一直在不断开拓自己的领地,向着未知的远方进发。我们的脚步,从非洲的一个原始部落迈出,踏遍了一块大陆,再跨越海洋或天空,覆盖了整个地球,最终将目光投向了浩渺宇宙。从这个意义上来说,虫洞,不仅仅是一条捷径,更代表了一个梦想。它所通往的,不仅仅是明确的目的地,更是无限新奇的未知世界。
 

  有趣的是,在虫洞概念诞生的同一年,苏联发射了人类的第一个航天器,向遥远的外太空迈出了第一步。这,难道不是一个必然的巧合吗?
 

  黑洞,真的是个窟窿?
 

  李磊:黑洞不是一个黑窟窿,而是一种密度极大的天体。从目前的研究成果看,黑洞一般由恒星演化而来。暮年的恒星,在自身引力作用下发生收缩,半径减小,中心密度增大。我们知道,质量越大,引力就越强,在恒星质量足够大、满足一定条件的情况下,其半径收缩至小于某一个值时,密度会大到在它表面的光都无法逃离的地步,这个时候天体就不可见了,我们把它叫做黑洞。
 

  天文观测发现,除了前面所说的恒星级黑洞,在大型星系的中心还存在着由于引力坍缩所形成的超大质量黑洞,其质量可以达到太阳质量的几百万倍至一百亿倍以上。
 

  很多人相信黑洞最后将坍缩成一个体积无穷小、密度无限大的奇点,围绕着这个奇点存在一个无法逃逸的区域,这个区域的边界称为视界。在视界以外的观察者不受视界以内任何事件的影响,也无法获得视界以内任何事件的信息。如果有人从外向内穿越了视界,那么在远处的观察者看来,视界附近的时间流逝速度也将发生特别有趣的变化。另外,从温度的角度来说,人类平安穿过视界进入黑洞的可能性也是几乎没有的。黑洞外围的温度太高,一接近它就被热成等离子体了。
 

  周飞亚:如果要给科学界的研究对象列一个神秘排行榜,黑洞一定是名列前茅的嘉宾。质量无限大,体积无限小,连速度最快的光都无法逃脱其魔爪,谁也不能探测到其内部是什么——这样的特质,给黑洞戴上了严实的面纱。
 

  不过,虽然神秘,但在《星际穿越》里那一系列玄乎的事物中,黑洞反而是最靠谱的一个了——至少,它是唯一经科学证实确实存在的。
 

  哲人苏格拉底有句名言,“我所知道的就是我一无所知”,面对黑洞一筹莫展的科学家们一定会把他引为知音。不过,也正是这种几乎一无所知的境况,给了科幻文学作品尽情施展的空间。总的说来,黑洞已经客串了如下角色:宇宙中的暗礁,千万要避开的危险区域;航路上的加油站,利用其巨大的引力来获取加速度、节省燃料。
 

  事实上,虫洞理论中的一种就认为黑洞是虫洞的一部分,在这种理论中,黑洞还有一个兄弟叫白洞,坠入黑洞的飞船就是从白洞掉出来。此外,科学家们还提出了量子层级的微型黑洞的假设,它们的结构很不稳定,产生与消失的速度都极快,而在一些科幻小说中,微型黑洞已经成为未来的大规模杀伤性武器。
 

  看起来,这些离我们还很遥远,也许在将来的某一天,它们还会被不断发展的科学证明是谬误。但是,这并不能熄灭我们幻想未来的热情。人类一思考,上帝就发笑,可如果不思考,上帝连发笑都不屑。

 


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