虫洞与时空旅行(选修课结课论文)

序号：1101

虫洞与时空旅行

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摘要：本文介绍了有关虫洞的一些问题，包括虫洞的概念及提出，虫洞的结构，虫洞的

形成，及虫洞和黑洞区别，并介绍了虫洞下的时空旅行，同时论述了时空旅行的可能性。虫

洞的概念是由伟大的物理学家阿尔伯特·爱因斯坦所提出，现在虽仍然无法证明其存在性，

但也发现了一些与其相关的信息。人们相信虫洞的存在，期待着有一天能够彻底破解虫洞之

谜，并且自由地能够穿梭时空。

关键词：虫洞时空旅行相对论

一、虫洞的形成以及虫洞的一些相关常识

虫洞理论是爱因斯坦1913年提出的，但此后的很长时间，人们几乎忘记了它。20世纪

80年代中期，卡尔·萨根在他的小说《接触》中首次重提虫洞。作为一个科学家，萨根希

望尽可能科学而准确地描述虫洞，为此，他还专门请教了加州科技学院的物理学家基普·德

隆，最后，在萨根的小说中，主人公艾莉经由一个虫洞到达了银河系的中心。

（一）虫洞是怎样形成的

1、虫洞的概念与提出

虫洞是霍金构想的宇宙期存在的一中极细微的洞穴。在广义相对论发表后不久，1935

年，爱因斯坦就在理论上发现了“虫洞”—也就是由两个相连的“黑洞”所构成的时空结构

中的“豁口”的存在——一条贯穿空间和时间的隧道。虫洞是宇宙中相距遥远的两点间的一

条假想捷径，它有两个洞口，是空间弯曲的产物。在图中，我们宇宙理想化为二维的，宇宙

的空间在图中表现为一张二维面。在纸上爬行的蚂蚁感觉不到纸是平整还是褶皱的，同样，

宇宙中的我们也不太清楚我们的宇宙在超空间里是平直的还是像图那样弯曲的。然而有一点

褶皱也是重要的，这样地球和天狼星才可能在超空间里相邻，从而才可能通过很短的虫洞联

结起来。

通过超空间连结地球和90万亿公里外的天狼星的1公里长的虫洞

2、虫洞的结构

虫洞旋转的或带有电荷的黑洞内部连接一个相应的白洞，你可以跳进黑洞而从白洞中跳

出来，虫洞是由黑洞与白洞组合的。（白洞-虫洞-黑洞）

白洞-虫洞-黑洞

3、虫洞的形成

如果在某一位置恒星形成了黑洞，则黑洞边缘的地方将会与原来的时空垂直。而在不平坦的宇宙时空中，这种结构意味着黑洞边界部分会与宇宙的另一个部分相结合，然后在那里形成一个洞，虫洞也就随之出现了。如此奇异的虫洞与黑洞很相似，都是时空结构中强大引力所造成的。

虫洞的自然产生机制有两种：其一，是黑洞的强大引力能；其二，是克尔黑洞的快速旋转，其伦斯—梯林效应将黑洞周围的能层中的时空撕开一些小口子。这些小口子在引力能和旋转能的作用下被击穿，成为一些十分小的虫洞。这些虫洞在黑洞引力能的作用下，可以确定它们的出口在那里，但是现在还不可能完全完成，因为量子理论和相对论还没有完全结合。

（二）虫洞与黑洞的区别

虽然虫洞与黑洞很相似，但两者也有许多不同之处。我们都知道, 黑洞的强大引力足以吞噬一切靠近它的物质, 连光都不能逃脱, 而虫洞也具有强大的引力。但虫洞的两端皆可出入, 并非像黑洞那样是一种单向通道, 只进不出) 再者, 旅行者在虫洞内仅受到一般的拉力, 不像在黑洞中, 若你的脚指向中心, 那强烈的黑洞引力场, 将在头与足之间造成极大的拉力差, 足可把你的身首撕开。

但由于超强引力场的作用，虫洞是极不稳定的，它在某个时刻突然产生，然后很快关闭、消失，几乎没有任何事物能在这么短暂的时间里从中穿过。谁想去试试，一定会在它的消失中毁灭。

但虫洞的超强引力场，可以通过“负质量”来中和。在这里正物质”(即我们日常碰到的物质)和“负物质”是不一样的，前者拥有“正能量”，能产生能量，后者具有“负能量”，可以吸去周围的能量。通过“负能量”中和后的虫洞会变得非常稳定，足以让宇宙飞船从容通过。

二、时间机器与时空旅行

时间机器本来是科学幻想，但在广义相对论，量子场论中出现了虫洞与封闭类时线，似乎暗示着未来的文明世界能够向我们赠送时间机器。从前，牛顿认为时间像一支射向未来的离弦之箭，一旦射出，就没有什么东西能使它转向或者改变它的路径。后来，爱因斯坦则认为，时间更像一条浩荡的河流，它向前方流动，但总是蜿蜒曲折，物质或者能量的存在可以在瞬间改变河流的流向。

（一）非虫洞下时空逆旅行的实现方式

时空逆旅行，如何实现呢，科学家提出必须进行超光速运行，但是相对论告诉我们，一个宇宙飞船的速度越接近光速，用以对它加速的火箭功率越大，目前的实验证明，粒子可以加速到光速的99. 99%，但无论如何，也达不到光速。因为只有打破光速壁垒，在超光速成为可能的时候，才能够实现逆时旅行，也就是回到过去。这似乎已经告诉我们，逆时旅行是不可能的。

（二）虫洞下的时空旅行

奇异的是，虫洞不仅可以成为空间旅行的捷径，同时也可能成为时间旅行的通道。

从理论上说，即使虫洞的两个洞口作相对运动，虫洞还能保持固定的长度。在这种情况下，从外面的宇宙看，虫洞的两个洞口在高速地相对运动着；狭义相对论告诉我们，这两个洞口的时间是不一样的；另一方面，从洞里看，洞长没有改变，两个洞口是相对静止的，两个洞口的时间又是一样的。这种怪异的时间表现，使回到过去的时间旅行成为可能。

三、时空旅行的可能性

（一）外祖母悖论

假设有一天，A回到了过去，并杀死了自己的外祖母。可是，那时外祖母的孩子，即A 的母亲尚未出生。即杀死了外祖母的A，本来就是不存在的。这就是“外祖母悖论”，它简单地揭示了这种时空穿越时矛盾的，无法实现的。

（二）无数平行的世界

多元宇宙量子理论从另一个角度解决了时间旅行的悖论。这个理论认为，我们的宇宙有无穷多个，我们称之为“平行宇宙”。这就使得时间旅行者通过时间旅行回到过去或前往未来时，是从现存的宇宙进入了另一个平行的宇宙。当你对你的外祖母做一次致命的拜访的时候，你所回到的过去，实际上并不是你所来的那个宇宙的过去。在你生活的那个宇宙里，你的祖父还活着。你所杀的那个祖父是一个平行空间的过去，在那个空间里你永远也不会出生。这样就决定了时间旅行者不可能改变宇宙的一切历史。如果某人从其他宇宙回到现实宇宙，则会发现现实宇宙仍像以前一样发展。

（三）虫洞不一定可以穿过

即使虫洞存在并且是稳定的，穿过它们也是十分不愉快的。贯穿虫洞的辐射（来自附近的恒星，宇宙的微波背景等等）将蓝移到非常高的频率。当穿越虫洞时，人类将被这些X射线和伽马射线烤焦。虫洞的出现，几乎可以说是和黑洞同时的。那么什么样的虫洞能成为可穿越虫洞呢？一个首要条件就是它必须穿在足够长的时间，不能够没等人类穿越就先消失。因此可穿越虫洞首先必须是足够稳定的。由于普通物质的引力只能产生汇聚作用，只有负能量物质才能产生这种排斥作用，因此想要让虫洞成为星际旅行的通道，必须要有负能量的物质。宇宙中的确存在负能量物质，但数量极其微小。

另一方面，物理学家们对维持一个可穿越虫洞所需要的负能量物质的数量也做了估算，结果发现虫洞的半径越大，所需要的负能量物质越多，具体地说，为了维持一个半径为一公里的虫洞所需要的负能量物质的数量相当于整个太阳系的质量。

（四）霍金对于能否改变历史的观点

史蒂芬·霍金《时间简史》中的问题：人回到过去能不能干预历史，改变历史？一种结论是只能旁观，不能干预，不能改变，这被霍金称为“协调历史方法”；另一种就是所谓的“多世界”理论，人回到过去可以干预历史，改变历史，实际上是产生一个新的世界和历史，这被霍金称为“选择历史猜想”。霍金本人似乎倾向于前一种结论。

（五）时空旅行真的能实现否？

因果律是我们这个宇宙不可动摇的法则，即使时间旅行者也不能改变它。但时间旅行如果梦想成真，那么就会有很多奇妙的激动人心的事件发生。关于超光速世界、虫洞、时间机器、多元宇宙……所有这些不可思议的事物正等待着我们去挖掘、去理解。

在当今物理学理论的基础上，时光倒流已是一种无法实现的事情，但是随着科技的不断发展，进入未来是可以并值得期待的。