通過“膜宇宙”探索“類蟲洞” “類蟲洞”尚不能保證結構穩定

在科幻電影中，總少不了通過蟲洞實現時空穿越的橋段。

自蟲洞的概念誕生以來，科學家們一直在討論利用其實現時空穿越的可能性。但發現蟲洞，甚至構建或穿越蟲洞，一直是物理學研究前沿最熱也是最難解的“懸案”。

3月30日，科技日報記者了解到，國際知名期刊《歐洲物理雜志C輯》日前以封面文章的形式介紹了揚州大學引力與宇宙學研究中心戴德昌教授團隊完成的最新研究成果。值得關注的是，這項研究成果首次跳出傳統蟲洞研究方法，從“膜宇宙”的角度探討構建“類蟲洞”的可能性及方法。

迄今為止沒有人發現蟲洞

什么是蟲洞?“很多人對蟲洞的理解，停留在科幻作品中的時空通道。”戴德昌說，但在科學家看來，蟲洞卻是一個經過嚴格數學推理的物理模型。

戴德昌介紹，1916年，德國天文學家卡爾·史瓦西通過計算得到第一個“黑洞解”，即如果質量過度集中于空間中，其周圍會形成一個連光都無法脫離的區域。

“這個區域的邊界稱為視界面。在視界面內的事物都會‘陷入’黑洞中無法掙脫。”戴德昌說。

1935年愛因斯坦和內森·羅森對史瓦西的黑洞解做了一個線性代換，形成一個新的度規(規定變量值或點的位置的一種方法)。

這個新的度規顯示當物質經過“黑洞視界”(即視界面)后，會進入另一個世界。

根據這個解，愛因斯坦預言，宇宙中存在一種連接著不同時空的特殊通道即蟲洞，人們可以通過穿越這種通道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。”戴德昌說。

從觀測恒星的運動偏差入手

2016年，美國激光干涉引力波天文臺捕捉到兩個黑洞合并產生的引力波時，發現這個引力波有回聲，于是有人猜測，這個回聲是經由蟲洞傳到對邊，又返回來形成的。

受此啟發，戴德昌團隊開始研究引力波或電磁波穿越蟲洞引起另一側擾動的可能性。團隊認為，在蟲洞對面的東西會影響我們自身宇宙的引力或重力加速度，所以研究大質量星體(或黑洞)附近的

恒星運動，就可以確定其有沒有受到來自其他世界或物質的影響。如果恒星的運動速度偏離現有理論預言，就表示有可能存在未知的物質或蟲洞。

經過慎重的計算與篩選，團隊選擇位于銀河系中心的超大質量黑洞人馬座A星(位于銀河系銀心的一個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量黑洞所在處)附近的恒星S2進行觀測，力圖捕捉到蟲洞蹤影。

“觀測數據雖仍在進行中，目前尚不能完全證明蟲洞的存在，但我們已經形成了系列間接成果。”戴德昌說。

2019年，戴德昌團隊在國際知名雜志《物理評論D輯》上發表文章，團隊研究發現蟲洞所連接的宇宙可以和我們宇宙里面的物質產生交互作用。

該項研究成果得到諾貝爾獎得主美國加州理工大學教授基普索恩極高評價，美國《紐約時報》以“如何穿越蟲洞”為題對該項研究成果進行了大幅報道。

“類蟲洞”尚不能保證結構穩定

如何穿越蟲洞?“近100年來，蟲洞以其獨特的魅力吸引著無數科學家投身到穿越時空的探索中。”戴德昌說，雖然深空探測的技術一直在升級迭代，相關理論也在不斷求新求變。但穿越蟲洞一直是一個遙不可及的夢想。

“雖然人們很早就從理論上證明了蟲洞的存在，但當前主流的理論卻認為蟲洞無法用作星際穿越。”揚州大學引力與宇宙學研究中心教授王元君說。

王元君介紹，在廣義相對論中，蟲洞極度彎曲，無法穩定存在，需要負能量支撐。而根據目前的理論，在宏觀尺度上是無法制造出負能量的。

另外，理論認為真空量子擾動可能會提供局部負能量，進而形成微觀蟲洞，但是其相關機理和形成機制，目前還無法應用到宏觀領域。

但令人驚喜的是，戴德昌團隊的最新研究為探尋蟲洞帶來了新的轉機。“我們團隊首次在‘膜宇宙’模型的基礎上研究蟲洞結構生成機制。”戴德昌說，所謂“膜宇宙”指的是科學家們認為我們的宇宙是在更高維時空中的一片膜。

“兩張膜上物質間的引力作用可以抵抗膜的張力，并造成膜變形，最后兩個物質可能會吸附在一起，并把膜連結在一起。”戴德昌說。

“如果膜沒有反彈回去，就會形成一個新的拓撲結構。”戴德昌說，“這樣的效應很像蟲洞。因此我們稱之為‘類蟲洞’結構。”

為了驗證這種“腦洞大開”的想法，團隊展開了大量理論計算探究“類蟲洞”的形成條件。

戴德昌介紹，他們團隊選擇兩個與太陽質量相當的物體，計算了兩個膜(平行宇宙)之間合理的張力值和距離大小。研究發現，兩個宇宙形成“類蟲洞”的條件，取決于膜的張力條件。極端條件下，如果張力為零，任何兩個質量不為零的物體間都可能形成“類蟲洞”結構。

他們的研究還發現，在一定的膜張力下形成“類蟲洞”，如果這兩個大質量物體是黑洞的話，那么它們之間即便形成蟲洞也無法通過，因為物質無法穿過黑洞視界。但如果兩個大質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洞是可通過的。因而，戴德昌團隊首次從物理學角度證明了宏觀領域穿越蟲洞的可能性。此外，團隊還采用膜的張力來替代負能量所扮演的角色。

“在我們團隊的設想中是不需要額外的負能量來制造蟲洞的。這為構建蟲洞提供了一個全新的思路。但目前還不能保證這種‘類蟲洞’結構的穩定性。”戴德昌說。

戴德昌最后介紹，為了驗證這個想法，我們仍需要對這類“類蟲洞”穩定性進行全面分析，這也是團隊未來進一步重點研究的方向。(過國忠張 運 薦小純)