科学仪器近两年来陆续探测到重力波,由双黑洞或双中子星并合引发,但是,这些时空涟漪事实上有可能不是来自黑洞或中子星,而是其他物体吗?一个欧洲物理学家团队对此提出新理论,认为重力波也可能来自连接两个时空的虫洞。
重力波是时空本身结构中的涟漪,在爱因斯坦广义相对论中,重力是时空曲率所产生的一种现象,质量可以导致这种曲率,当物质在时空中运动时,附近曲率会随之改变,而大质量物体运动时所产生的曲率变化会以光速像波一样向外传播,这一传播现象就是重力波。
LIGO(激光干涉重力波天文台)于 2016 年首度检测到 13 亿年前两个黑洞融合产生的重力波,之后又陆续检测到其他重力波事件,但一份发表在《Physical Review D》期刊的论文却提出另一种解释:如果重力波来源并不是黑洞,而是诸如虫洞的奇特致密天体(exotic compact objects,ECOs)呢?
毕竟天文学家从来没有“实际”观测过黑洞,而是透过大量实验、理论模型与间接观测(某个地方质量异常大、引力异常强等)来推断黑洞的存在与位置;虽然迄今为止,科学家也都没有观察过虫洞存在的证据,但一般认为这是因为虫洞很难和黑洞区分。
虫洞(wormhole)又称爱因斯坦-罗森桥(Einstein—Rosen bridge),是宇宙中一种连接两个不同时空的假想狭窄隧道,1930 年代爱因斯坦及纳森·罗森在研究引力场方程时,假设黑洞与白洞透过虫洞连接,认为透过虫洞可以完成瞬时空间转移或者时间旅行。
和黑洞不同的是,虫洞没有事件视界。在黑洞并合前的最后一秒,重力波振幅会达到峰值,并合后则经历衰荡(ringdown)阶段趋于稳定(振幅急剧减小至零),荷语天主教鲁汶大学的西班牙籍天文学家 Pablo Bueno 与 Pablo A. Cano 认为问题就在于此,由于黑洞事件视界的存在,迄今观察到的重力波讯号都在几分钟后完全消失;但若事件视界不存在,则重力波振荡(oscillation)讯号不会完全消失,而是在一段时间后产生一阵阵回音,类似于你往一口深井大喊后的回音。
爱因斯坦广义相对论中对黑洞的描述是这样:一个质量大到附近物质或辐射都无法逃离其重力场的天体,而黑洞周围存在一种时空曲隔界线“事件视界(event horizon)”,在极巨大重力影响下,黑洞附近的逃逸速度大于光速,使得任何光线都不可能从事件视界内部逃脱。
有趣的是,无论是黑洞还是虫洞,两者经历的衰荡阶段很相似,研究人员说,我们需要进一步确定回音是否存在以区别两种天体。不过我们目前没有合适的理论模型可以参考研究,虽然已有几个团队开始分析 LIGO 原始数据,但研究成果不一定为人接受。总之,时间与技术演进将告诉我们这些回音是否存在,如果结果是对的,将是物理学史上最伟大的发现之一。
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(首图来源:shutterstock)