蟲洞是外星人的傑作?科學家認為蟲洞非自然,只能由高級文明創造出來

一切起源於物理學

2018年11月4日,騰訊WE大會在北京舉行,包括基普·索恩、麗莎·蘭道爾、蒲慕明在內的著名科學傢以精彩的演講,為現場觀眾介紹瞭學、生命科學、人工智能等領域的重要進展。

1915年愛因斯坦提出瞭,這實際上是一種物理學的定律,他告訴我們時空會被質量和彎曲。時空的彎曲會產生引力,也就是我們在地球上能夠感知的引力。

50年之後,我到瞭普林斯頓大學讀博士,作為一個博士生,我被告知我們的世界、宇宙有可能有彎曲的一面。我們在時空當中有一系列不同的物體、事物,我會給大傢介紹其中的一些,比如說體宇宙、、奇點、時光旅行、引力波。

作為一個年輕學生,我給自己設定瞭一個人生目標:要用理論和觀察探尋彎曲的世界。在今天的演講中,我將給大傢介紹,在過去的50多年當中,我們用這種方法瞭解到瞭什麼。

蟲洞是外星人的傑作?科學家認為蟲洞非自然,只能由高級文明創造出來
蟲洞是外星人的傑作?科學家認為蟲洞非自然,只能由高級文明創造出來

蟲洞由高級文明創造

在過去的56年裡,包括我自己、、Lisa Randall以及其他很多的同事們,都在共同探尋。

1962年,當時我們認為,這樣的體宇宙並不存在,到瞭1999年,Lisa Randall告訴我們,這樣的體宇宙有可能存在。

如果我們看宇宙,一邊是太陽系,另外一邊是仙女座。如果我們要穿越體宇宙的話,我們把它折起來,會看到距離僅有幾公裡。

從這樣的蟲洞當中,光線是可以穿越的,這樣的圖形也能夠讓我們計算,蟲洞的另外一邊是什麼樣子。

我們不斷地把蟲洞打開,我們可以讓土星的光線穿越、彎曲,我們就走到瞭仙女座,我們又用蟲洞回去,這麼長的距離,隻要幾分鐘就可以過去。

我們再看一下蟲洞,蟲洞往往會自毀,會自己崩塌,我們怎麼樣才能夠避免這一點呢?我們就要用特殊材料去把它填充起來,它是一種反引力的效應,它能夠修復蟲洞的側壁。而且可以說,蟲洞並不會在宇宙當中自然產生,需要有高級文明有意識的去創造和維持,再填充特殊材料,蟲洞才能存在。

但有一個例外,盡管我們說蟲洞是人為的,但是在非常小的尺度上比如說10-33厘米,在這個微觀尺度上,一種新的物理學理論量子引力學,能夠指導我們瞭解。這一點我後面還會多次提到,雖然我們對此並不是瞭解的那麼清楚。

與此相對照的是黑洞,跟蟲洞不一樣,黑洞是在宇宙當中切實存在的,黑洞就像失敗瞭的蟲洞一樣,它是從奇點這邊延伸出來,我們也想去瞭解一下到底黑洞是什麼樣子。在我們的宇宙當中,可以想象,在左上方有一個恒星,在右下方有一個攝像機,光從恒星射到右邊的透鏡當中,我們可以看到兩邊都有它的路徑。

另外,還有一個光線是穿過這個世界之後再進入到攝像機,那攝像機就能看到恒星不同的面貌,如果說有幾百萬個恒星的話就能看到幾百萬。

時光機器一經啟動即刻毀滅

我再回到愛因斯坦關於時間彎曲的定律,地球的質量會扭曲時間,而這個時間的彎曲會產生引力,有這樣的引力才讓大傢安坐在禮堂的座椅之上。

我們能夠感到,引力是很小的,它使得地球上的時間每100年才放慢一秒。第一次高精度偵測是在1976年,當時NASA放瞭一個距離地球一萬公裡遠的,用它的原子鐘進行時間的計算,再與地面上測算的時間進行對比,它的準確性能夠幫我們預測愛因斯坦的時間彎曲定律。

越是臨近黑洞,引力越強,時間越慢。大傢可以看到,這是黑洞的視界。假設有這樣一個飛船停在這邊,在這樣的飛船上,它測的時間就會比地球上要慢一半,如果它繼續往下走,接近視界,那麼最後時間會慢到停止(跟地球相比)。

在黑洞之內,時間比停止還要慢,時間會倒流,一直會降到黑洞的中心,也就是奇點,在這個地方廣義相對論會失敗,會由量子引力學來替代,而這個現在我們還不太理解,雖然我們很想理解。

說到底物理學告訴瞭我們,時間穿越回過去會是怎麼樣的。

量子物理學告訴我們,你的旅行會導致一個時間機器的啟動,但是這個時間機器在啟動之後,一會兒向前,一會兒向後,有可能會因巨大的爆炸而毀滅。

這個爆炸就是因為光線當中的真空不穩定所導致的爆炸。隻有量子引力學才能夠準確的告訴我們,實際上是怎麼樣的,這是霍金和我在90年代初的時候,我們一起來做的課題。

,探索宇宙彎曲

我們再回到引力波,就愛因斯坦來看,它使得空間彎曲,以光速旅行。我們有這樣的一個例子,它在宇宙當中自由運動,當引力波過來的時候會使得空間伸或者縮,這個時候我們就可以看到所謂伸縮的效應,它可能一個方向拉,另外一個方向壓,都有可能。

這就是愛因斯坦對於引力波的理解,在1972年的時候,我開始跟我的同事和學生一起創立瞭一個理論,我們能夠偵測引力波,我們可以想象到引力波對於學的意義,我們可以對比電磁波和引力波,過去我們所使用的觀測手段都是電磁波,而現在我們可以去用引力波觀測宇宙。

引力波是質量和能量的牽連運動的均勻釋放,其中涉及到瞭大量的質量和能量,而電磁波是容易被灰塵或者其它的物質吸收或者分散。引力波即使臨近瞭宇宙大爆炸,在非常熱、密度非常大的地方也不會被大幅度的吸收或者是分散。

這就告訴我們,引力波和電磁波有很大不同。

第一,引力波由於它是由彎曲的空間所形成的,它是一種去探索彎曲宇宙的理想工具。第二,它很有可能會引發我們對於宇宙理解的革命,在1972年,我的同事們和我一起提出瞭這樣的一個設想,之後麻省理工的教授們,他們發明瞭激光幹涉引力波的觀測手段。

假如,我們有兩組不同的激光各自觀測,它會告訴我們引力波有一些什麼樣的作用,這個是Weiss提出的,我們後來又想去用激光器來進行測量。當我有瞭這個想法的時候,我非常激動,一旦我搞明白瞭,並且深刻理解瞭這個思想,以及它成功的可能性,我們就和麻省理工的團隊一起去建設引力波的觀測工具。

現在,在引力波的探測工作中,有20個國傢、1200名科學傢一起來參與,包括中國。

2015年9月14日,LIGO第一次偵測到瞭引力波,引力波終於降臨瞭地球,他們從地球上空穿過,作用到瞭我們偵測器所在的路易斯安那,另外也作用到瞭華盛頓的觀測站,這兩邊我們比較瞭引力波所導致的振動,然後再用計算機進行模擬,我們認為來源是兩個黑洞,它們都要遠重於太陽,它們在13億年以前相互碰撞,在非常遙遠的星系。

它們的碰撞融合釋放瞭大量的引力波,當碰撞發生的時候,它就像是一個巨大的風暴,就像在海裡的風暴一樣,出現瞭振蕩,引力波就飛散出去瞭。我們可以看到,在今後的十年,還會由它來偵測到更多的碰撞。

我們在意大利也曾經觀測到瞭中子星的碰撞,每一個中子星大概直徑20公裡,大概100倍於太陽的質量,他們碰撞時會產生巨大的火球。其中會形成電磁波,世界天文學傢都會去看中子星碰撞的後果,當然引力波在傳播的時候會有幾小時的時差。

那麼LIGO還能看到什麼呢?我們可能會看到黑洞撕裂中子星,我們也能夠探索宇宙的誕生。

量子物理學

宇宙大爆炸在引力波當中所產生的東西,都是由量子物理學來控制的。在爆炸發生後,會有巨大的膨脹,這種膨脹是一種非常快速的宇宙膨脹,尤其是在宇宙形成的早期是這樣的。我們可以看到,會有原初引力波,我們會從中瞭解到大爆炸以及量子引力學的一些知識。我們也可以知道宇宙膨脹的情況。

400年前伽利略制造瞭第一個天文望遠鏡,他能夠找到木星的四個衛星。在三年之前,LIGO第一次觀測到瞭黑洞碰撞所形成的引力波,如果我們再追溯100年,我們可以看到電磁波帶給我們多少變化。

我想有請大傢也跟我們一起推測一下今後的400年,我們將電磁波觀測和引力波觀測結合起來,我們還會有更多更大的發現,大傢可以盡情想象!