宇宙弦＋黑洞搭建可以穿越的虫洞

虫洞，这种由广义相对论预言的独特结构，是衔接时空中相距悠远的两个区域的捷径，因而寄托了许多人完成时空游览的愿望。不过，现在科学家从未证明过虫洞的存在，更不用说从虫洞中穿越了。

近来，加州大学圣芭芭拉分校的付子操、Brianna Grado-White和Donald Marolfa在预印本文库网站发了两篇论文，他们结构了一个可穿越虫洞的新模型。依据他们的研讨，这样的虫洞能够在世界学常数等于0的时空中存在。

撰文 | 张华

拓扑世界监督原理

在Grado-White等人的论文中，他们首要证明了可穿越虫洞在一般的时空中是不存在的，而这背面用到的物理原理是“拓扑世界监督原理”（Topological censorship）。

早在1993年，物理学家J. L. Friedman、K. Schleich和D. M. Witt等人就宣布了拓扑世界监督原理的论文，这一原理能够以为是1969年相对论专家彭罗斯提出的“世界监督猜测”（cosmic censorship hypothesis）的连续。

世界监督猜测指出，一个旋转的带电黑洞不可能旋转得太快，由于巨大的旋转角速度会让被黑洞视界包裹的奇点暴露出来，而这是违背相对论因果性的。但彭罗斯不能从数学物理的视点来证明这个猜测，所以他以为，需求一个像天主相同的“世界监督”来制止黑洞暴露奇点。

到了1993年，世界监督猜测还没被证明，但J. L. Friedman、K. Schleich和D. M. Witt等人持续提出了拓扑世界监督原理。要了解这项原理，咱们首要要了解类光能量条件（null energy condition）。

在时空中，光子的轨道是一条类光曲线，这条曲线在时空中的每一点都有一个切矢量，记作类光矢量（k）。别的，爱因斯坦的引力方程中，有描写物质信息的能量动量张量（T）。T是2阶张量，能够当作一个矩阵；而k是一个矢量，能够当作是一个列向量。因而，当T与两个k相乘，得到一个数。关于一切一般的物质，这个数是大于等于0的，这便是类光能量条件：

依据拓扑世界监督原理，假如世界中的物质的能量动量张量不损坏类光能量条件，那么时空不能有特别的拓扑结构。也便是说，时空在拓扑上应该等价于四维欧氏空间、四维球面等简略的几许体，而不应该呈现相似自行车内胎这样的古怪拓扑结构。而可穿越虫洞，就归于一种古怪的拓扑。所以，依据拓扑世界监督原理，在正常的时空中，可穿越虫洞不会存在。

有必要违背类光能量条件

那么，什么时候虫洞能够存在，而能被物质所穿越呢？

虫洞作为一种时空的拓扑结构，是遭到爱因斯坦引力场方程约束的。爱因斯坦引力场方程的左面是空间曲率，而右边是能量动量张量。

可穿越虫洞的存在，有一个基本原则，那便是物质场的能量动量张量有必要违背类光能量条件。

任何一个的可穿越虫洞，有必要有违背类光能量条件的“负能量”来支撑。换句话说，假如一群光子想要穿越虫洞，那么这群光子对应的测地线不能在虫洞里会聚，这需求用到印度的闻名物理学家瑞查德符里（Amal Kumar Raychaudhuri）提出的方程。

研讨虫洞理论的哈佛大学物理学博士高苹告知《举世科学》：“经过瑞查德符里的方程能够看出，在虫洞中，光线只要在物质场的能量动量张量违背类光能量条件下，才不会撞上奇点——在这种情况下，聚集在虫洞一端的光线在脱离虫洞的另一端时会散开，这样才能够从虫洞中逃出来。”

因而，拓扑世界监督原理与瑞查德符里方程都指向同一个定论：“要想穿越虫洞，有必要要有违背类光能量条件的负能量！”

用世界弦结构可穿越虫洞

在Grado-White等人的论文，他们就在此基础上，结构了一个可穿越的虫洞。

首要，他们需求有两个带电黑洞，并且这两个黑洞的电荷是相反的。也便是说，其间一个黑洞带正电，另一个黑洞带负电。（尽管这样的带电黑洞在实际世界中不常见，但理论上它能够在世界学常数等于0的正常时空中存在）为什么要让黑洞带着电荷？这是由于带电黑洞内部的奇点能够被拉伸歪曲，然后构成一座通向另一个带电黑洞的桥，这个桥便是科学家朝思暮想的虫洞的雏形。

可是，有了虫洞的雏形仍是不行的。由于带电黑洞之间存在万有引力和电磁力，这些力都是彼此招引的，它们会让两个黑洞彼此接近，这就不能结构出一个安稳的虫洞。

那么，怎么才能让虫洞安稳下来呢？他们想到了世界弦。

世界弦是一个来自弦论的理论模型，能够被当作是大爆炸今后的时空结构被冰冻时构成的奇特物体，具有很强壮的张力（弹性）。前期世界中呈现的弦假如随世界胀大而扩大，那么就可能成为标准很大的世界弦。这种世界弦能够长达几万光年，成为衔接两个黑洞的管道。在Grado-White等人的论文中，他们用到了两根世界弦。

如下图所示，蓝色的世界弦是一个闭弦，能够振荡起来发生负能量。他们计算了这些负能量对时空几许的影响，发现它确实能够避免虫洞崩塌。而黑色的世界弦是一个开弦，它衔接了两个带电黑洞的端口，依托世界弦巨大的张力阻挠两个黑洞彼此挨近。

这个解决方案使得虫洞不光安稳，并且能够被穿越。穿越这个虫洞所要花费的时刻，大致与间隔与光速的商在同一个量级，所以，这是一个“不快不慢”的虫洞。而在马尔达西纳等人提出的永久虫洞里，穿越的时刻则要长许多，这样的永久虫洞并不合适星际游览，只合适用来逃避星际战役。

曾经的可穿越虫洞研讨大多都与反德西特时空（世界学常数为负数）有关，而最新的研讨结构了一种在世界学常数为0的时空中能够存在的可穿越虫洞，这使得整个研讨看起来其实更符合实际。

参考文献：

Traversable wormholes in four dimensions

arXiv:1807.04726 [hep-th]

A perturbative perspective on self-supporting wormholes

https://arxiv.org/abs/1807.07917

《举世科学》9月刊现已上市