在這篇文章中，我將向你介紹一個(gè)物理學(xué)中令人著迷的話題：環(huán)形蟲洞和時(shí)間機(jī)器。這是一篇最近由Frolov、Krtou?和Zelnikov發(fā)表的論文的主要內(nèi)容和結(jié)果，這篇論文是基于Gibbons和 Volkov 提出的一個(gè)環(huán)形蟲洞模型。

什么是蟲洞

蟲洞是時(shí)空中的一種假想的捷徑，它連接了兩個(gè)遙遠(yuǎn)的區(qū)域或宇宙。想象你有一張紙，代表我們的宇宙，你想從一個(gè)點(diǎn)到另一個(gè)點(diǎn)旅行。最短的路徑是紙上的一條直線，但如果你能彎曲紙張并在上面打一個(gè)洞，你就能通過洞創(chuàng)建一條更短的路徑，那個(gè)洞就是蟲洞。

蟲洞通常被描繪為有球形入口的隧道，像黑洞一樣。然而，它們也可以有不同的形狀，比如平面圓盤或環(huán)形。這些被稱為環(huán)形蟲洞，它們看起來像通往另一個(gè)地方或時(shí)間的入口。

環(huán)形蟲洞如何變成時(shí)間機(jī)器

時(shí)間機(jī)器是一種讓你旅行到過去或未來的設(shè)備。實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的一種方法是使用一個(gè)連接時(shí)空中具有不同時(shí)間流速的兩個(gè)區(qū)域的蟲洞。例如，如果蟲洞的一端靠近一個(gè)大質(zhì)量物體或以高速運(yùn)動(dòng)，那么那里的時(shí)間將比另一端慢。根據(jù)廣義相對(duì)論，如果你從蟲洞的一端進(jìn)入并從另一端出來，你會(huì)發(fā)現(xiàn)自己處于與你開始時(shí)不同的時(shí)間。

然而，這還不足以創(chuàng)建一個(gè)時(shí)間機(jī)器，你還需要確保蟲洞是穩(wěn)定和可穿越的。這需要一些奇特的物質(zhì)或能量，它們違反零能量條件，該條件規(guī)定任何觀察者測量到的能量密度不能為負(fù)。這樣的物質(zhì)或能量可以產(chǎn)生負(fù)引力或排斥力，保持蟲洞開放。

這種奇特物質(zhì)的一個(gè)例子是宇宙弦，它是一條極其密集的能量線，可能在早期宇宙中形成。宇宙弦可以有負(fù)角度缺陷，意味著它使時(shí)空圍繞它彎曲，使得三角形內(nèi)角之和小于180度。宇宙弦也可以作為一種張力源，將蟲洞的兩個(gè)入口拉在一起。

Gibbons和Volkov 表明，如果你有兩個(gè)由具有負(fù)角度缺陷的宇宙弦圍繞的時(shí)空平面圓盤，你可以沿著它們的邊緣將它們粘合在一起，并創(chuàng)建一個(gè)環(huán)形蟲洞。這個(gè)蟲洞連接了兩個(gè)本來沒有聯(lián)系的平坦宇宙。宇宙弦的存在使得蟲洞靜止和可穿越。

Frolov、Krtou?和Zelnikov研究了這種環(huán)形蟲洞時(shí)空中靜態(tài)源的引力場。他們發(fā)現(xiàn)，如果你在蟲洞的一個(gè)入口周圍放置一個(gè)扁平的薄質(zhì)量殼，那么另一個(gè)入口附近的引力場將受到蟲洞存在的影響。特別地，他們發(fā)現(xiàn)另一個(gè)入口附近的引力勢將取決于距離入口的徑向距離和圍繞它的方位角。

這意味著如果你在蟲洞的一個(gè)入口附近的不同位置有兩個(gè)相同的時(shí)鐘，它們之間的讀數(shù)差將隨時(shí)間線性增長，產(chǎn)生一個(gè)恰當(dāng)時(shí)間差。如果這個(gè)差距變得大于通過蟲洞的旅行時(shí)間，那么閉合類時(shí)曲線就會(huì)出現(xiàn)。閉合類時(shí)曲線是時(shí)空中的一條路徑，它在空間和時(shí)間上都返回到它的起點(diǎn)。這意味著如果你沿著一個(gè)閉合類時(shí)曲線行走，你可以遇見你過去的自己或影響你自己的歷史。

這個(gè)過程不可避免地將這樣一個(gè)可穿越的環(huán)形蟲洞轉(zhuǎn)變成一個(gè)時(shí)間機(jī)器。作者估計(jì)了這個(gè)過程的時(shí)間尺度，對(duì)于一些現(xiàn)實(shí)的參數(shù)，發(fā)現(xiàn)它可以短至幾年。

這個(gè)模型有什么影響和挑戰(zhàn)

環(huán)形蟲洞和時(shí)間機(jī)器的可能性既令人興奮又令人困擾。一方面，它為探索其他宇宙或時(shí)間，以及在極端條件下測試基本物理學(xué)提供了新的可能性。另一方面，它也給我們對(duì)因果關(guān)系和自由意志的概念帶來了嚴(yán)重的悖論和不一致性。例如，如果你試圖在他遇見你祖母之前殺死你祖父會(huì)怎么樣？或者如果你試圖阻止自己進(jìn)入蟲洞怎么樣？

這些悖論不是特定于環(huán)形蟲洞，而是涉及到任何包含閉合類時(shí)曲線的時(shí)間旅行模型。一些物理學(xué)家提出了各種方法來解決或避免這些悖論，比如 Novikov 自洽原理、量子力學(xué)中的多世界解釋或歷史保護(hù)猜想。然而，這些提議都沒有得到普遍接受或證明。

這個(gè)模型面臨的另一個(gè)挑戰(zhàn)是，它依賴于一些假設(shè)和近似，可能在現(xiàn)實(shí)中不成立。例如，它假設(shè)環(huán)形蟲洞是與任何外部影響隔離的，比如輻射或擾動(dòng)。它還假設(shè)蟲洞是無限薄的，并且引力場是弱的。這些假設(shè)可能對(duì)于現(xiàn)實(shí)的蟲洞或源不成立。此外，還不清楚如何在自然界中創(chuàng)建或找到這樣一個(gè)環(huán)形蟲洞，或者如何操縱它來達(dá)到所需的時(shí)間旅行效果。

因此，雖然這個(gè)模型在數(shù)學(xué)上是一致和有趣的，但它遠(yuǎn)非是建造一個(gè)時(shí)間機(jī)器的實(shí)用或現(xiàn)實(shí)的方法。它更像是一個(gè)理論練習(xí)，展示了蟲洞物理學(xué)和時(shí)間旅行的一些可能性和挑戰(zhàn)。