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物理學(xué) 蟲洞物理學(xué)——時(shí)空隧道的物理和數(shù)學(xué)特性，穿越時(shí)空的實(shí)現(xiàn)方法

物理學(xué) 蟲洞物理學(xué)——時(shí)空隧道的物理和數(shù)學(xué)特性，穿越時(shí)空的實(shí)現(xiàn)方法
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蟲洞是愛因斯坦引力理論中的場方程的解，它類似于永恒黑洞內(nèi)部兩個(gè)相同宇宙之間的隧道，或時(shí)空中兩個(gè)遙遠(yuǎn)的點(diǎn)之間的隧道。通過蟲洞，人們可以縮短巨大的空間和時(shí)間距離。原則上，蟲洞可以用于空間旅行，甚至可以旅行到過去。然而，蟲洞通常是不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，而且它們的存在仍然是一個(gè)懸而未決的問題。
“蟲洞”這個(gè)名字是由美國著名物理學(xué)家約翰·惠勒（他也發(fā)明了“黑洞”這個(gè)名字）創(chuàng)造的。
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  • 圖1：二維的蟲洞
第一種蟲洞是由奧地利物理學(xué)家路德維希·弗拉姆（Ludwig Flamm）發(fā)現(xiàn)的。這一發(fā)現(xiàn)發(fā)表在他1916年的論文《愛因斯坦引力理論評(píng)論》中。
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  • 圖2：路德維希·弗拉姆和他1916年的論文《愛因斯坦引力理論評(píng)論》
1935年，阿爾伯特·愛因斯坦和美國-以色列物理學(xué)家內(nèi)森·羅森（Nathan Rosen）重新發(fā)現(xiàn)了弗拉姆蟲洞（這就是這種類型的蟲洞通常被稱為“愛因斯坦-羅森橋”的原因）。
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  • 圖3：羅森和愛因斯坦以及他們著名的論文。
黑洞及其幾何學(xué)在靜態(tài)黑洞附近，時(shí)空度規(guī)變成了所謂的史瓦西度規(guī)：
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  • 式1：史瓦西或靜態(tài)黑洞的線元素。
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  • 圖4：圖中右側(cè)的史瓦西黑洞有一個(gè)吸積盤（由圍繞中心天體的彌散物質(zhì)形成）。在所謂的光子層中，重力場迫使光子在軌道上運(yùn)動(dòng)。
線元素用球坐標(biāo)表示：
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  • 圖5：球面坐標(biāo)(r， θ， ?)
現(xiàn)在考慮以下新的坐標(biāo)集：
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  • 式2：提前和延遲零坐標(biāo)
如果我們固定角坐標(biāo)θ和φ并將史瓦西度規(guī)寫成v和w的形式，我們得到：
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  • 式3：θ =常數(shù)和φ=常數(shù)的史瓦西度規(guī)用提前和延遲零坐標(biāo)表示。
與式3對(duì)應(yīng)的度規(guī)被認(rèn)為是保角平坦的。為了理解這意味著什么，考慮以下對(duì)克魯斯卡爾變量（Kruskal variables）的轉(zhuǎn)換：
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  • 式4：克魯斯卡爾坐標(biāo)變換。
克魯斯卡爾坐標(biāo)變換是保角變換的一個(gè)例子，保角變換是局部保角的映射。
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  • 圖6：局部保角的保角變換的圖解。
引入以下“時(shí)間”和“空間”坐標(biāo)：
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  • 式5：用克魯斯卡爾坐標(biāo)表示的新“時(shí)間”和“空間”變量。
史瓦西度規(guī)變成：
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  • 式6：史瓦西黑洞的線元素用x '和t '表示，r是x '和t '的函數(shù)。
其中r對(duì)式6中變量的依賴關(guān)系為：
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  • 式7：由式6得到r，x '，t '之間的關(guān)系。
有以下的解：
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  • 式8：方程7中r的解
其中W_0是朗伯函數(shù)的主要分支。在式6中，如果我們固定角變量θ和φ，我們就得到了平坦時(shí)空的線元，這叫做保角平坦。
Kruskal-Szekeres圖帶有(θ， φ)常數(shù)的Kruskal-Szekeres圖如圖7所示。它具有以下特性：