作业帮宇宙空间为什么会发生扭曲
来源：学生作业帮 编辑：作业帮 分类：物理作业 时间：2024/04/27 07:00:49
宇宙空间为什么会发生扭曲
发生扭曲的因素是在特定条件下才能完成的吗?
发生扭曲的因素是在特定条件下才能完成的吗?
宇宙空间发生扭曲因为虫洞.
虫洞(Wormhole),又称爱因斯坦-罗森桥,是宇宙中可能存在的连接两个不同时空的狭窄隧道.虫洞是1930年代由爱因斯坦及纳森·罗森在研究引力场方程时假设的,认为透过虫洞可以做瞬时间的空间转移或者做时间旅行.不过目前其存在性尚未确认.
早在20世纪50年代,已有科学家对“虫洞”作过研究,由于当时历史条件所限,一些物理学家认为,理论上也许可以使用“虫洞”,但“虫洞”的引力过大,会毁灭所有进入的东西,因此不可能用在宇宙航行上.
着科学技术的发展,新的研究发现,“虫洞”的超强力场可以通过“负质量”来中和,达到稳定“虫洞”能量场的作用.科学家认为,相对于产生能量的“正物质”,“反物质”也拥有“负质量”,可以吸去周围所有能量.像“虫洞”一样,“负质量”也曾被认为只存在于理论之中.不过,目前世界上的许多实验室已经成功地证明了“负质量”能存在于现实世界,并且通过航天器在太空中捕捉到了微量的“负质量”.
据美国华盛顿大学物理系研究人员的计算,“负质量”可以用来控制“虫洞”.他们指出,“负质量”能扩大原本细小的“虫洞”,使它们足以让太空飞船穿过.他们的研究结果引起了各国航天部门的极大兴趣,许多国家已考虑拨款资助“虫洞”研究,希望“虫洞”能实际用在太空航行上.
宇航学家认为,“虫洞”的研究虽然刚刚起步,但是它潜在的回报,不容忽视.科学家认为,如果研究成功,人类可能需要重新估计自己在宇宙中的角色和位置.现在,人类被“困”在地球上,要航行到最近的一个星系,动辄需要数百年时间,是目前人类不可能办到的.但是,未来的太空航行如使用“虫洞”,那么一瞬间就能到达宇宙中遥远的地方.
据科学家观测,宇宙中充斥着数以百万计的“虫洞”,但很少有直径超过10万公里的,而这个宽度正是太空飞船安全航行的最低要求.“负质量”的发现为利用“虫洞”创造了新的契机,可以使用它去扩大和稳定细小的“虫洞”.
科学家指出,如果把“负质量”传送到“虫洞”中,把“虫洞”打开,并强化它的结构,使其稳定,就可以使太空飞船通过.
虫洞,这个科幻园地中的主题,今天已从纸面跃出,成为天文学家搜索的目标.虫洞为何那么吸引人?因为它为星际航行提供了一条捷径.例如从地球飞往最近的邻居——半人马座——比邻星,将要飞奔4光年的旅程,而通过虫洞,却只需几小时就够了.
其实,远在广义相对论发表后不久,科学家就在理论上发现了虫洞的存在,但此后,对它的研究进展很慢,它的不少性质仍然十分模糊.例如,它仅能让光线通过? 抑或也可使飞船穿行?直到1988年,美国加州工学院的桑恩等人,对虫洞作了较为深入的研究,才肯定虫洞的两端皆可出入,并非像黑洞那样是“单行道”.此外,旅行者在洞内仅受到一般的加速度.不像在黑洞中,若你的脚指向黑洞中心,那么巨大的引力场,会在头足之间构成极大的拉力差,足可把身首撕开.
桑恩还提出了构造虫洞的概念,当然是理论上的.他说,这涉及到对宏观空间的挖破和扭曲.生活在二维空间(如纸面)的智慧蚂蚁,它想从纸面上的一点走到另一点,按常规,只有一种办法,即沿着连接该两点的直线走去,这也是两点间的最短距离.但还有一种距离更短的走法：把纸对折成两面,使两点靠得很近,再用一个纸筒(它提供了通过第三维的一条捷径)将两点接通,蚂蚁可经纸筒而到达彼点.为此,蚂蚁必须在纸面上挖出两个孔.在这一例中,纸筒十分类似于通过更高强空间的虫洞.故欲构筑虫洞,必撕破空间.
空间不是空空的吗,怎样去撕破,挖孔?实难想象.但相对论早就告诉我们,引力能弯曲空间.桑恩说,空间的裂口处,时空会出现陡峭的势态,就如黑洞中心的那种情况.但他承认,由于没有一个成熟的量子引力理论,对这个问题很难深入讨论下去.
从理论可知,虫洞内的空间被扭曲得极不自然,以致无法使它保持畅通,即使能开通,也只是一瞬间.但虫洞却可让奇异物质通过,为何奇异物质受此优待呢?这还得从相对论谈起.
爱因斯坦认为,引力来自物质的两种全然不同的性质.一种是大家熟知的,质量密度越大,引力场也越强,由于物质的质量跟能量是等价的,故可说,能量密度(单位体积内所含的能量)对引力作出贡献；另一种是物质对周围所施加的压力,就像气体对容器壁所做的那样,但是这种压力原则上可正可负.
若跟物质内所含的能量相比,这种压力就小得微不足道.但桑恩说,有一种物质却具有极大的负压,奇异物质就明显地具有这种特性,且其负压之大,超过了它的能量密度.从而使得奇异物质周围的空间,被扭曲得十分奇怪,跟一般物质的扭曲情况相比,正好改变了空间扭曲的“符号”,具体地说,其引力具有排斥性.
按现代宇宙学理论,在宇宙创生后立即驱使宇宙急速膨胀的力,正是“奇异”真空的具有极大负压的排斥性引力.宇宙暴胀可能提供一种保持虫洞开放的手段.一些物理学家认为,暴胀可能造成“宇宙绳”环(宇宙理论中的一种物质),当量子虫洞和宇宙绳环同时暴胀时,有可能产生宏观的开通的虫洞.此外,他们还相信,先进文明所创造的人工虫洞,可能用奇异物质的“支柱”来保持虫洞的畅通.故桑恩的虫洞,可谓之奇异物质虫洞.
科学家麦可思提出了磁虫洞的理论.他说,极强烈的磁场将能弯曲时空而形成虫洞.根据相对论,任何含有能量的东西(包括磁场),皆能弯曲空间.远在20年代,一位意大利理论家莱特,就在爱氏方程中找到了磁引力.
莱特的理论说,在一个由螺线管产生的磁场中,螺线管内形成了一个引力磁,但要获得这种人工引力场,磁场需十分巨大.据麦可思说,莱特的磁引力跟桑恩的虫洞极相似.麦可思说：“其理论的实际意义,就是一个磁虫洞.”他说,若在实验室内用2.5T(特斯拉)的磁场,即可构造出一个磁虫洞,洞的半径极大,约为 150光年,若欲将此虫洞的半径压缩到实验室的尺度,则所施加的磁场需大到10亿T,这显然超出目前人类的科技能力(最大人工磁场约10T).但麦可思说,在天空中必定能找到这种磁虫洞,因为中子星表面的磁场达10亿T,在那里,磁虫洞将自发地产生.
磁虫洞有一个优点,按麦可恩的说法,它比较容易测量验证.由于磁引力也将影响光线,“在引力场中,光速将减慢.若光线通过螺线管时,其速度低于真空中的光速”,即可证明磁虫洞的存在.
不论奇异物质虫洞或磁虫洞,只要它们存在于天空之中,就能从地球上测得它们的特征性信号.若一个虫洞嘴处在地球和某一恒星之间,那么虫洞的引力将引起这一恒星的光产生异常的波动,将使我们看到一个两边特别明亮中间较暗(星光)R光学像.为何如此奇怪?这要谈到负(质量)物质和引力透镜.
据俄科学家诺朱可夫的理论,当物体进入虫洞,“入口”处明显地增大质量,而同时在“出口”处,则立即失去对应的这份质量.即使此物体已穿出虫洞,也仍会留下这些痕迹：虫洞的一边将保持其已获得的质量,而另一边最终则呈现负质量.
负（质量）物质具有明显的特性,它只具有排斥性引力,因而能将其周围的任何物质都向四周扫出,且对光线的运动造成极大的扭曲.
通常的物质（即正质量物质）,若正好通过地球与某一恒星之间,其引力将弯曲和放大这一恒星向地球射来的星光,很像一个聚光镜的行为.天文学上称之“引力透镜”效应.具体地说,我们这时将看到这一恒星星光比平时亮得多.若这个经过地球恒星间的天体,是由负物质构成的,那又将如何?它也将弯曲星光,但由于其具有排斥性引力,故弯曲星光的情况迥然不同.星光经它身旁时,会出现所谓焦散现象,即星光从透镜（负物质天体）的轴线处被推出,而在两边上聚焦.这意味着,当负物质天体运动在地球与某一恒星之间时,我们将看到,这个恒星不是像平时那样的一个光点,而是在亮度上出现两个突然增亮的跳跃.这种“双峰”亮度特征信号是十分明显的,故为探测出虫洞提供故为探测出虫洞提供了一个方便之门.
桑恩之所以去研究“虫洞”,有个很重要的直接原因是因为好友卡尔.萨根的求助；当时卡尔.萨根正构思一个科幻题材,和桑恩讨论虫洞的想法,桑恩遂极感兴趣,为此研究了虫洞的可行性并推导了虫洞模型.
虫洞(Wormhole),又称爱因斯坦-罗森桥,是宇宙中可能存在的连接两个不同时空的狭窄隧道.虫洞是1930年代由爱因斯坦及纳森·罗森在研究引力场方程时假设的,认为透过虫洞可以做瞬时间的空间转移或者做时间旅行.不过目前其存在性尚未确认.
早在20世纪50年代,已有科学家对“虫洞”作过研究,由于当时历史条件所限,一些物理学家认为,理论上也许可以使用“虫洞”,但“虫洞”的引力过大,会毁灭所有进入的东西,因此不可能用在宇宙航行上.
着科学技术的发展,新的研究发现,“虫洞”的超强力场可以通过“负质量”来中和,达到稳定“虫洞”能量场的作用.科学家认为,相对于产生能量的“正物质”,“反物质”也拥有“负质量”,可以吸去周围所有能量.像“虫洞”一样,“负质量”也曾被认为只存在于理论之中.不过,目前世界上的许多实验室已经成功地证明了“负质量”能存在于现实世界,并且通过航天器在太空中捕捉到了微量的“负质量”.
据美国华盛顿大学物理系研究人员的计算,“负质量”可以用来控制“虫洞”.他们指出,“负质量”能扩大原本细小的“虫洞”,使它们足以让太空飞船穿过.他们的研究结果引起了各国航天部门的极大兴趣,许多国家已考虑拨款资助“虫洞”研究,希望“虫洞”能实际用在太空航行上.
宇航学家认为,“虫洞”的研究虽然刚刚起步,但是它潜在的回报,不容忽视.科学家认为,如果研究成功,人类可能需要重新估计自己在宇宙中的角色和位置.现在,人类被“困”在地球上,要航行到最近的一个星系,动辄需要数百年时间,是目前人类不可能办到的.但是,未来的太空航行如使用“虫洞”,那么一瞬间就能到达宇宙中遥远的地方.
据科学家观测,宇宙中充斥着数以百万计的“虫洞”,但很少有直径超过10万公里的,而这个宽度正是太空飞船安全航行的最低要求.“负质量”的发现为利用“虫洞”创造了新的契机,可以使用它去扩大和稳定细小的“虫洞”.
科学家指出,如果把“负质量”传送到“虫洞”中,把“虫洞”打开,并强化它的结构,使其稳定,就可以使太空飞船通过.
虫洞,这个科幻园地中的主题,今天已从纸面跃出,成为天文学家搜索的目标.虫洞为何那么吸引人?因为它为星际航行提供了一条捷径.例如从地球飞往最近的邻居——半人马座——比邻星,将要飞奔4光年的旅程,而通过虫洞,却只需几小时就够了.
其实,远在广义相对论发表后不久,科学家就在理论上发现了虫洞的存在,但此后,对它的研究进展很慢,它的不少性质仍然十分模糊.例如,它仅能让光线通过? 抑或也可使飞船穿行?直到1988年,美国加州工学院的桑恩等人,对虫洞作了较为深入的研究,才肯定虫洞的两端皆可出入,并非像黑洞那样是“单行道”.此外,旅行者在洞内仅受到一般的加速度.不像在黑洞中,若你的脚指向黑洞中心,那么巨大的引力场,会在头足之间构成极大的拉力差,足可把身首撕开.
桑恩还提出了构造虫洞的概念,当然是理论上的.他说,这涉及到对宏观空间的挖破和扭曲.生活在二维空间(如纸面)的智慧蚂蚁,它想从纸面上的一点走到另一点,按常规,只有一种办法,即沿着连接该两点的直线走去,这也是两点间的最短距离.但还有一种距离更短的走法：把纸对折成两面,使两点靠得很近,再用一个纸筒(它提供了通过第三维的一条捷径)将两点接通,蚂蚁可经纸筒而到达彼点.为此,蚂蚁必须在纸面上挖出两个孔.在这一例中,纸筒十分类似于通过更高强空间的虫洞.故欲构筑虫洞,必撕破空间.
空间不是空空的吗,怎样去撕破,挖孔?实难想象.但相对论早就告诉我们,引力能弯曲空间.桑恩说,空间的裂口处,时空会出现陡峭的势态,就如黑洞中心的那种情况.但他承认,由于没有一个成熟的量子引力理论,对这个问题很难深入讨论下去.
从理论可知,虫洞内的空间被扭曲得极不自然,以致无法使它保持畅通,即使能开通,也只是一瞬间.但虫洞却可让奇异物质通过,为何奇异物质受此优待呢?这还得从相对论谈起.
爱因斯坦认为,引力来自物质的两种全然不同的性质.一种是大家熟知的,质量密度越大,引力场也越强,由于物质的质量跟能量是等价的,故可说,能量密度(单位体积内所含的能量)对引力作出贡献；另一种是物质对周围所施加的压力,就像气体对容器壁所做的那样,但是这种压力原则上可正可负.
若跟物质内所含的能量相比,这种压力就小得微不足道.但桑恩说,有一种物质却具有极大的负压,奇异物质就明显地具有这种特性,且其负压之大,超过了它的能量密度.从而使得奇异物质周围的空间,被扭曲得十分奇怪,跟一般物质的扭曲情况相比,正好改变了空间扭曲的“符号”,具体地说,其引力具有排斥性.
按现代宇宙学理论,在宇宙创生后立即驱使宇宙急速膨胀的力,正是“奇异”真空的具有极大负压的排斥性引力.宇宙暴胀可能提供一种保持虫洞开放的手段.一些物理学家认为,暴胀可能造成“宇宙绳”环(宇宙理论中的一种物质),当量子虫洞和宇宙绳环同时暴胀时,有可能产生宏观的开通的虫洞.此外,他们还相信,先进文明所创造的人工虫洞,可能用奇异物质的“支柱”来保持虫洞的畅通.故桑恩的虫洞,可谓之奇异物质虫洞.
科学家麦可思提出了磁虫洞的理论.他说,极强烈的磁场将能弯曲时空而形成虫洞.根据相对论,任何含有能量的东西(包括磁场),皆能弯曲空间.远在20年代,一位意大利理论家莱特,就在爱氏方程中找到了磁引力.
莱特的理论说,在一个由螺线管产生的磁场中,螺线管内形成了一个引力磁,但要获得这种人工引力场,磁场需十分巨大.据麦可思说,莱特的磁引力跟桑恩的虫洞极相似.麦可思说：“其理论的实际意义,就是一个磁虫洞.”他说,若在实验室内用2.5T(特斯拉)的磁场,即可构造出一个磁虫洞,洞的半径极大,约为 150光年,若欲将此虫洞的半径压缩到实验室的尺度,则所施加的磁场需大到10亿T,这显然超出目前人类的科技能力(最大人工磁场约10T).但麦可思说,在天空中必定能找到这种磁虫洞,因为中子星表面的磁场达10亿T,在那里,磁虫洞将自发地产生.
磁虫洞有一个优点,按麦可恩的说法,它比较容易测量验证.由于磁引力也将影响光线,“在引力场中,光速将减慢.若光线通过螺线管时,其速度低于真空中的光速”,即可证明磁虫洞的存在.
不论奇异物质虫洞或磁虫洞,只要它们存在于天空之中,就能从地球上测得它们的特征性信号.若一个虫洞嘴处在地球和某一恒星之间,那么虫洞的引力将引起这一恒星的光产生异常的波动,将使我们看到一个两边特别明亮中间较暗(星光)R光学像.为何如此奇怪?这要谈到负(质量)物质和引力透镜.
据俄科学家诺朱可夫的理论,当物体进入虫洞,“入口”处明显地增大质量,而同时在“出口”处,则立即失去对应的这份质量.即使此物体已穿出虫洞,也仍会留下这些痕迹：虫洞的一边将保持其已获得的质量,而另一边最终则呈现负质量.
负（质量）物质具有明显的特性,它只具有排斥性引力,因而能将其周围的任何物质都向四周扫出,且对光线的运动造成极大的扭曲.
通常的物质（即正质量物质）,若正好通过地球与某一恒星之间,其引力将弯曲和放大这一恒星向地球射来的星光,很像一个聚光镜的行为.天文学上称之“引力透镜”效应.具体地说,我们这时将看到这一恒星星光比平时亮得多.若这个经过地球恒星间的天体,是由负物质构成的,那又将如何?它也将弯曲星光,但由于其具有排斥性引力,故弯曲星光的情况迥然不同.星光经它身旁时,会出现所谓焦散现象,即星光从透镜（负物质天体）的轴线处被推出,而在两边上聚焦.这意味着,当负物质天体运动在地球与某一恒星之间时,我们将看到,这个恒星不是像平时那样的一个光点,而是在亮度上出现两个突然增亮的跳跃.这种“双峰”亮度特征信号是十分明显的,故为探测出虫洞提供故为探测出虫洞提供了一个方便之门.
桑恩之所以去研究“虫洞”,有个很重要的直接原因是因为好友卡尔.萨根的求助；当时卡尔.萨根正构思一个科幻题材,和桑恩讨论虫洞的想法,桑恩遂极感兴趣,为此研究了虫洞的可行性并推导了虫洞模型.