物理学与时空隧道

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1、时空隧道也许你已经知道，迄今为止规模最大的粒子加速器——大型强子对撞机（LHC）将于年内运转。两位俄国数学家预言，它有可能被证明是世界上第一台时间机器。穿越时空总是能让人产生浓厚的兴趣，也成为很多科幻电影热衷的题材，像《回到未来》、《穿越时空爱上你》、《12只猴子》等。要想在过去、现在和未来间自由穿梭，只有在时间机器建成后才有希望变为现实。当LHC投入运转后，每个在其中通过的粒子会在时空中形成一种冲击波，让周围的空间和时间发生扭曲。当两个这样的引力波彼此朝对方趋近的时候，可能会造成十分壮观的结果。在某些极端场合，撞击的引力波会在时空中撕出一

2、个“虫洞”来，即通常所说的可以穿越时空的隧道。如果LHC真的做到了这点，那么，任何研究领域所取得的进展都会黯然失色。从这个意义上说，强子对撞机可能标志着一个历史新里程，而2008年，则有望成为时空元年。把时间扭曲成环路数十年来，物理学家一直在努力探索时空之旅可能的真实机制。对于时空如何发生变化的最佳描述，源自于爱因斯坦的广义相对论，所以研究人员一直在寻找它的某些瑕疵——或者说尚未引起重视的层面，以期取得突破。通过以往这些努力源源不断地涌现出的时间机器蓝图，从来没有脱离设计的初级阶段；而随着大型强子对撞机的运转，尽管仍有一些不确定性，科学家终

3、于可以揭开谜底了。位于瑞士日内瓦附近欧洲核子研究中心的大型强子对撞机（LHC），长约27公里,有12层楼高，绕它而行要花4个多小时。当LHC在全速运行时，它会给每个在里面飞速绕行的粒子输入7万亿电子伏（TeV）的能量。从日常生活的角度来看，这点能量也许实在不起眼，1TeV的能量甚至还抵不上一只飞蚊所产生的动能。然而，一颗亚原子粒子只不过是蚊子大小的万亿分之一，当1TeV的能量浓缩到亚原子粒子上时，它就可能对宇宙的结构产生非同寻常的影响。按照广义相对论，宇宙万物是在具有三维空间和一个时间维度的背景上历经兴衰的。时空有一种不寻常的现象，那就是它

4、会由于宇宙中的物质和能量而发生弯曲或扭曲。后者也是万有引力的根源所在。举例来说，地球的质量会使周围的空间发生弯曲，造成邻近地球的一切物体受到一种趋向于它的吸引力。时间的扭曲则较难进行直观想象，但是在任何质量或能量面前，它确实会发生极微弱的扭曲。足够大的质量密度或能量密度甚至还能将时间扭曲成可以往返的环路，正如一块橡胶平板经过卷曲能形成一个圆柱面那样。物理学家称这样的环路为“类时闭曲线”至少从理论上说，它们允许我们重访过去的某个时间点。奥地利数学家库特·哥德尔最早尝试揭示闭合类时曲线形成之谜。1949年他论证了下述观点：如果整个宇宙在进行自转

5、的话，那么相对性就应该允许这种自转创造条件，让时间形成可以往返的环路。要是你进入这个环路，就会一再地重访同样的地点，直到你设法脱身为止。当哥德尔把他的计算结果拿给爱因斯坦看的时候，这种想法一度令爱因斯坦困惑不已。1976年，新奥尔良图兰大学的弗兰克·蒂普勒证明：巨大的质量密度，加上无限长的、快速旋转的圆柱体是如何创造穿越时空的类似机会的。但最终的谜底并没有因此而揭晓：这毕竟不是一台不久将来的某时能被建造出来的机器。引力波撕出“虫洞”1988年，情形变得更加耐人寻味了，加利福尼亚理工大学的基普·索恩及其同事们的论证表明：穿越时空的隧道（专业术

6、语称为虫洞）将使时空之旅成为可能。在这种情况下，虫洞会造成一个时间环路。在这个环路中的旅行，有点像穿越山峦底下的隧道：通过翻山越岭固然可以来到另一侧，但是隧道却会让你更快捷地抵达那里。大型强子对撞机可能会创造出虫洞，从而实现某种形式的时空之旅。由于暗能量神秘的“幻影”性质，时空具有一种内在的排斥力，不仅可使虫洞的出入口保持敞开，甚至还能增大到足以让人穿越而过。这正是LHC所肩负的一个使命。莫斯科斯捷克洛夫数学研究所的阿列菲娃和伏洛维奇相信，LHC可能会制造出一个虫洞，从而实现某种形式的时空之旅。每个通过大型强子对撞机的粒子，会在时空中形成一

7、种冲击波，即产生一种造成周围空间和时间扭曲的引力波动。当两个这样的引力波彼此朝对方趋近的时候，可能会造成十分壮观的结果。在某些场合，撞击的引力波会在时空中撕出一个孔。具有这样的特性的条件究竟是什么，取决于确切的时空性质，但是我们迄今并未对此透彻了解。爱因斯坦的相对论确实提供了对时空性质的一种宏观描述，但那只是初步的估算。若想求出它需要多少能量才会撕出一个孔，则必须借助对时空进行微观水平上的描述，对于微观描述，即对于量子引力的理解，在目前我们仍然力不从心。不过人们可以想象，LHC能制造在时空中撕出一个孔所必需的条件。按照物理学家当前普遍认同的

8、理论，除涉及在1016TeV的能量附近发生的现象外，量子引力并不会发生明显的作用。然而，由加利福尼亚大学伯克利分校的尼玛·阿卡尼-哈梅德小组的研究却表明：量子引力在低至1TeV的