蟲洞不是洞而是一顆球?《星際效應》幕後的科學與想像

2015-05-28 14:24

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從另一個角度來看,蟲洞的壁面不屬於螞蟻宇宙的一部份;它只是一條捷徑,可供螞蟻行進穿越「體」,從螞蟻宇宙的一點前往另一點。

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圖14.1 螞蟻探索一顆有蟲洞貫穿的蘋果。
圖14.1 螞蟻探索一顆有蟲洞貫穿的蘋果。

弗萊姆的蟲洞

一九一六年,愛因斯坦提出他的廣義相對論物理定律才過了一年,路德維希.弗萊姆(ludwig flamm)就在維也納發現了愛因斯坦方程式的一個解─描述一種蟲洞的解(但他不是這樣稱呼它)。

現在我們知道,愛因斯坦的方程式容許眾多不同類型的蟲洞(分具眾多形狀和行為的各種蟲洞),當中只有弗萊姆的蟲洞才呈正球形,而且不含會產生重力的物質。

當我們將弗萊姆的蟲洞攔腰切出赤道切片,則蟲洞和我們的宇宙(我們的「膜」)都只剩兩個次元,不再有三個,然後當我們從「體」觀看我們的宇宙和蟲洞,它們看來都會像是圖14.2 左半圖的模樣。

弗萊姆的蟲洞。
圖14.2 弗萊姆的蟲洞。

在這個圖中,我們宇宙的一個次元不見了,你必須將自己想成一種二次元生物,只能在彎曲的薄面或蟲洞的二次元壁面上爬行。從我們宇宙的A點前往B點有兩條通路:較短通路(藍色彎曲虛線)沿著壁面走進蟲洞,較長通路(紅色彎曲虛線)走彎曲的薄面,亦即我們的宇宙─當然,我們的宇宙其實是三次元的。

圖14.2 左半圖的同心圓,其實就是右半圖的綠色套疊球面。當你從A點走藍色路徑進入蟲洞,你也就層層穿越愈來愈小的球面。接下來,球面彼此層層套疊,周長不再改變。然後,當你穿出蟲洞朝B點前進,球面又開始愈來愈大。

接下來的十九年間,物理學界鮮少注意到弗萊姆驚世駭俗的愛因斯坦方程式解,亦即他的蟲洞。然後來到一九三五年,愛因斯坦本人和同事物理學家納森.羅森(nathan rosen),在不知道弗萊姆成果的情況下,也發現了弗萊姆的解,並深入探索其特性,同時也就它對真實世界具有什麼重要意義提出推想。

其他物理學家,同樣對弗萊姆的成果一無所知,開始稱呼他的蟲洞為「愛因斯坦─羅森橋」(einstein-rosen bridge)。

蟲洞塌縮

單就愛因斯坦方程組的數學式來看,一般很難全面認識這當中含括了哪些預測。弗萊姆的蟲洞就是一個出色的例子。

從一九一六年到一九六二年,將近半個世紀期間,物理學家總認為蟲洞是靜態的,永恆不變的。後來惠勒和他的學生羅勃特.富勒(robert fuller)發現事實不然。他們更深入檢視那組數學式,結果發現蟲洞有誕生、延展、收縮和死亡等現象,如圖14.3 所示。

圖片(a) 中,我們的宇宙起初有兩個奇異點。隨著時光流逝,奇異點在「體」裡面伸展、相互靠近,接合生成蟲洞(b)。蟲洞延展,周長變大,如(c) 和(d) 所示,然後收縮並截斷(e),剩下兩個奇異點(f )。黑洞的誕生、延展、收縮和截斷的歷程轉瞬即逝,連光都沒來得及從蟲洞的一側通行前往另一側。任何事物或任何人試圖通過,都會在截斷時一併被毀!

弗萊姆蟲洞
圖14.3 弗萊姆蟲洞(愛因斯坦-羅森橋)的動態。(馬特,齊梅特根據我的草圖繪製,援引自我的《黑洞與時間彎曲:愛因斯坦的幽靈》)

這個預測是不可避免的。若宇宙果真因故生成球形蟲洞,而且裡面不含任何會產生重力的物質,則蟲洞就會這樣子運作。愛因斯坦的相對論定律就是這樣規定的。

這項結論沒有讓惠勒灰心喪志,反而讓他很開心。

他將奇異點(空間和時間無窮翹曲的地方)視為物理定律面臨的「危機」,而危機是很棒的導師,只要明智地深入探究,我們就能洞徹理解物理定律。這一點我會在第二十六章回頭討論。

本文經授權轉載自漫遊者文化《星際效應:電影幕後的科學事實、推測與想像

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