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7月 27, 2019

第一次造蟲洞就上手:蟲洞三種理論與可能存在的悖論

上次任性的講了黑洞,有觀眾說想聽聽蟲洞,剛好今天有空,所以來教大家怎麼造蟲洞。典型的蟲洞又稱:愛因斯坦—羅森橋(Einstein-Rosen bridge)。是連結兩個不同時空的通道,我們知道廣義相對論已經解釋了空間上的物質質量可以影響空間本身,例如伸展或彎曲空間,而當年愛因斯坦跟跟另一個物理學家羅森一起研究廣義相對論的引力方程式也發現了一件奇怪的事:宇宙的空間允許存在類似捷徑的東西——蟲洞。也就是大家最常見的一個蟲洞簡化模型圖:

這個圖只是一個比較易於理解的概念,事實上蟲洞是不是真的長這樣,有很多說法,畢竟誰都沒看過,只能推測,其他的蟲洞模型也有這樣的:
其實要形容蟲洞,真的很像觀落陰,因為目前為止這是一個充滿假設的東西,也只在理論上成立,現實世界幾乎不太可能存在,但既然要想像,就來實際架構一下理論上怎麼要才可以造蟲洞。

第一種蟲洞:愛因斯坦—羅森橋式的蟲洞

當我們在說愛因斯坦—羅森橋式的蟲洞,其實就是在說黑洞+白洞=蟲洞這種東東,這種蟲洞是最典型的一種描述,雖然廣義相對論推論和證實了黑洞的存在,但事實上至今我們還是難以得知黑洞內部的樣子,最初黑洞有種解釋叫史瓦西解、或者稱史瓦西黑洞,這種解釋認為黑洞最中心是靜止不動的,裡面存在奇異點(singularity),這點的體積無限小、密度無限大、重力無限大、時空曲率無限大,所有物理定律都不適用,很難解,所以愛因斯坦很痛恨這個點,國中物理如果大家還記得的話,大爆炸的起源也是一個奇異點(所以才會說理解黑洞就可以理解宇宙起源)。
不過後來更有了不同的看法,科學家透過觀察超新星爆炸形成黑洞的這個過程,認為黑洞中心可能不是靜止的,因為過程中兩個恆星相互高速旋轉,最終會因為運動方向變成一個接近扁平圓盤狀的結構(上下噴射的東西是黑洞中心物質碰撞太猛烈溫度太高而射出的宇宙射線之類的東東我們先不管),重點是那個盤狀物,是不是好扁好圓好大啊?所以這樣的推測認為黑洞中心也可能是這樣一路轉下去,因此中心點可能是動態的,黑洞中心或許根本沒有什麼被濃縮到極致的奇異點,而是有點像颱風中心存在颱風眼那樣,說不定我們乖乖配合這樣順著轉下去有機會也有空間可以通過。
但是要通過去也勢必要連接一個什麼地方,所以理論推測黑洞的對面要有一個白洞,這個白洞的特性必須跟黑洞相反,黑洞吸東西,那白洞就要吐東西,而且只出不進。這理論認為通過這樣的蟲洞之後對面是不同的平行宇宙,或是鏡像宇宙,跟我們宇宙很像,但是一切都是相反的,例如時間反序的,或許還會有點像大爆炸。(所以也有種說法認為我們的宇宙就是個黑洞,不過也有「反駁這種說法的說法」XD)
這裡重新整理需要的材料:一個黑洞、一個白洞,如果找到這兩種東東連結在一起,那就是一個蟲洞啦,是不是很簡單呢?各位小朋友學起來了嗎?不過目前為止,沒有任何證據可以顯示白洞存在,所以更遑論蟲洞了,而白洞的特性也違反熱力學的能量守恆。所以找不到也不要氣餒。

這種蟲洞的問題:

問題一:
把黑洞當蟲洞穿過去,其實需要無限大的時間,因為根據廣義相對論,重力場越大時間流逝的速率越慢,黑洞的重力場連光速都逃不出去,所以進到黑洞之後,在地球來看,你的時間幾乎等於是靜止的,但對黑洞中的你來說地球可能已經過了幾千億年(實際上要換算需要知道你在裡面待多久&地球離多遠),不過簡單說,你走一趟黑洞版的蟲洞出來,地球應該也毀滅了。所以這種耗時無限大的蟲洞其實完全不實際XD
問題二:
你可能無法活著出來,真是令人感到困擾。因為,就算黑洞裡面有空間可以通過,那個空間說不定還是小到一個不行,還要考慮到黑洞嚴重的重力跟潮汐力,你大概會在裡面死得比義大利麵還更義大利麵。
沒關係,你還可以參考接下來要講的兩種造蟲洞的方法。

第二種蟲洞:量子糾纏式的蟲洞

在量子力學中也有很類似蟲洞的概念,叫量子糾纏(quantum entanglement),把兩個粒子交互作用之後,他們會產生關連性,例如把A粒子留在地球、B粒子用雷射射到太陽系幾千光年外,這時候基於量子力學,兩個粒子在未觀測之前都是疊加態,也就是我們都還不知道粒子的自旋,直到觀察才會塌縮成一個確定的狀態,如果在這樣的情況下,隨便測量其中一個粒子的自旋(例如A粒子測到上旋),B粒子幾乎是瞬間!真的是瞬間可以感應到A粒子被測量到,並且絕對會變成與A相反的下旋。兩個粒子在如此遠的距離還是有著一種超光速的關聯性,而且這種速度目前得知大概比光速快至少 10,000 倍,其實概念就非常像是一種微型蟲洞,愛因斯坦稱這種現象是「鬼魅般的超距作用」。
量子糾纏嚴格說起來,並沒有違反相對論訂下的「物質不可以超光速」這項規則,因為量子糾纏雖然能產生關聯,但是普遍認為不能傳遞信息,不過當你測量時確定幾千光年外的另一個粒子絕對會是相反自旋這件事,心裡多少還是會毛毛的,就連物理學家至今一直還沒搞清楚其中的機制怎麼作用的,所以有人提出如果兩個黑洞像這樣互相糾纏再分離,或許可以會造出一個如同蟲洞的通道來。這種量子糾纏式的蟲洞,概念也跟弦理論(String Theory)中所謂的量子漲落,也就是糾纏的夸克有點類似。
弦理論是個很新穎的概念,甚至有機會能把量子力學跟廣義相對論完美結合,這理論認為其實粒子是不存在的,夸克可能並不是最基本的粒子,或許在夸克中有著一條條的弦,透過不同的振動型態形成不同的粒子,就像樂器的弦一樣,琴弦振動會表現出不同的音階。真的是個超天才的理論,甚至可以把宇宙四力全部統一起來。從弦理論的角度看出去,整個宇宙都是一種振動,念了量子力學好一陣子,這樣的理論的確有非常直覺式的美感。(簡直完美)不過弦理論有個大問題,他需要在十維世界運作,所以要完成這理論要找出另外的六維…以至於如今也還是一個研究中的理論,情不自禁的扯遠了,總之有興趣可以了解看看。
回到我們的討論,量子糾纏式的蟲洞其實有點難找,不過這種理論下蟲洞很可能比你想像中的還要更常出現,但出現了也因為非常不穩定所以非常容易產生塌縮而關閉。以下來說說小缺點:

這種蟲洞的問題:

問題一:
要糾纏兩個黑洞再分離出來有點難度。並且也因為這樣不確定的蟲洞建構在尚未完全能夠理解的理論上,可行性也是未知。
問題二:
超難找。就算出現也很不穩定,一下就不見。或許我們只能期待看類似CERN這全世界最大的粒子實驗室有沒有機會弄出類似的東西來。XD

第三種蟲洞:人造式蟲洞工具

鑒於以上兩種方法有不同的缺點,你可能會覺得第二種比較可行,但是蟲洞很容易塌縮很不穩定這件事蠻討厭的,所以理論學家也想到一個可能可以保持蟲洞的穩定性(請不要問我為什麼這些人蟲洞都還沒找到就去想維持蟲洞穩定開啟的方法),也就是找到一種有負質量的奇異物質(exotic matter),這種物質與我們常見的普通物質有著相反的特性,例如普通物質如果是會產生重力跟帶著正質量,奇異物質就會產生一種很像反重力的斥力能把東西推開,並且有著負質量。
有這樣的特性就可以讓蟲洞的隧道中間不至於變成黑洞,聽起來很難想像。雖然這種奇異物質目前沒人找到,只是一種猜想物質,但是其實宇宙中確實存在這兩種特性的東西,一個是暗能量,一個是反物質。暗能量被認為是一種帶著反重力加速宇宙膨脹的物質,沒有這種東西存在,那目前人類對宇宙的觀察完全無法解釋,所以它是必要的存在,只是科學家也還在研究;另一個是反物質,反物質在日常中並不常見,但是透過CERN的強子對撞機能夠觀察到粒子在碰撞的時候的確撞出了粒子與反粒子,然後在很短的時間內又互相抵銷消失不見。要是能夠理解和控制這些東西,或許我們可以找出他們跟奇異物質的關聯,離蟲洞也不遠了。
如果你真的找不到奇異物質,也可以去問一下奇異博士,他那邊應該很多(?)

時空旅行的祖父悖論和違背熱力學第二定律

經過重重困難,假設真的弄出蟲洞,那也就代表可以超越光速,也就是回到過去,那會有個嚴重的問題,也就是有名的「祖父悖論」,假設你回到過去殺了你的祖父,那怎麼會有現在的你存在並且穿越蟲洞回到過去?這個悖論有人可能會拿「平行宇宙」來解釋,不知道的人去看一下復仇者聯盟4就知道了。所以很多科幻電影也會把回到過去解釋成其實創造了一個新的平行宇宙,所以你永遠改變不了你所處的世界線的歷史。
那麼,假設這論點成立好了,時空旅行回到過去的概念其實還是違背了熱力學,我們通常用熱力學中的熵來描述一個系統是有序還是無序的,熱力學第二定律則是解釋了熱力傳播過程的不可逆性:一個孤立的系統在演化時會自發的朝著平衡前進,作功會增加熵(熵代表著那些無法再被利用的能量),我們可以把整個宇宙視為一個系統,宇宙會朝向熵最大化,這過程解釋了為什麼時間有方向性,因為整個宇宙是從有序走向無序的。用一個簡單思考方式來說,系統越宏觀,時間的方向性越明確,當然可逆的機率越低。例如你把一滴墨汁倒入一杯180ml的水中,水的分子量超大,粗估會有6000000000000000000000000個水分子會把顏料分子給分散,你期待失散在水分子中的顏料分子可以恢復成當初那一滴完整的墨水,機率真的太低,這輩子幾乎不可能(就算等到地球毀滅也很難)。但是在量子力學這種微觀的系統中,如果縮小到量子世界的規模,例如變成五顆水分子倒五個顏料分子,那墨水排成有序的機會就高上很多,所以在量子微觀世界中,時間的方向性(因果關係)可以說變得非常不明顯,算是微觀世界的特色和有趣之處。而時間倒轉的機率,在分子以千萬兆的千萬兆計的宏觀世界來看,則可說是趨近於0。

你也可以從你的房間看出熱力學第二定律:
你的房間整齊(有序)只有幾種形式,但是不整齊(無序)幾乎是千百萬種方式。XD

基於以上總總限制,時空旅行(蟲洞)實在太不可能存在了。黑洞跟蟲洞最大的區別大概就是一個被發現了,一個我們可能永遠都找不到。不過物理定律總有被推翻的時候,所以誰知道呢?我們可以期待著有那麼一天。至少,看到這裡,改天房間亂又被媽媽念的時候,你可以跟你媽說:「你不知道根據熱力學第二定律宇宙是從有序走向無序的嗎?」

※文章是對於我自己對物理方面興趣&資訊整理後寫的,如果有問題也希望有人能熱心指正XD

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