利用环形虫洞制造时间机器：一篇新论文的精彩解读

在这篇文章中，我将向你介绍一个物理学中令人着迷的话题：环形虫洞和时间机器。这是一篇最近由Frolov、Krtouš和Zelnikov发表的论文的主要内容和结果，这篇论文是基于Gibbons和 Volkov 提出的一个环形虫洞模型。

什么是虫洞

虫洞是时空中的一种假想的捷径，它连接了两个遥远的区域或宇宙。想象你有一张纸，代表我们的宇宙，你想从一个点到另一个点旅行。最短的路径是纸上的一条直线，但如果你能弯曲纸张并在上面打一个洞，你就能通过洞创建一条更短的路径，那个洞就是虫洞。

虫洞通常被描绘为有球形入口的隧道，像黑洞一样。然而，它们也可以有不同的形状，比如平面圆盘或环形。这些被称为环形虫洞，它们看起来像通往另一个地方或时间的入口。

环形虫洞如何变成时间机器

时间机器是一种让你旅行到过去或未来的设备。实现这一点的一种方法是使用一个连接时空中具有不同时间流速的两个区域的虫洞。例如，如果虫洞的一端靠近一个大质量物体或以高速运动，那么那里的时间将比另一端慢。根据广义相对论，如果你从虫洞的一端进入并从另一端出来，你会发现自己处于与你开始时不同的时间。

然而，这还不足以创建一个时间机器，你还需要确保虫洞是稳定和可穿越的。这需要一些奇特的物质或能量，它们违反零能量条件，该条件规定任何观察者测量到的能量密度不能为负。这样的物质或能量可以产生负引力或排斥力，保持虫洞开放。

这种奇特物质的一个例子是宇宙弦，它是一条极其密集的能量线，可能在早期宇宙中形成。宇宙弦可以有负角度缺陷，意味着它使时空围绕它弯曲，使得三角形内角之和小于180度。宇宙弦也可以作为一种张力源，将虫洞的两个入口拉在一起。

Gibbons和Volkov 表明，如果你有两个由具有负角度缺陷的宇宙弦围绕的时空平面圆盘，你可以沿着它们的边缘将它们粘合在一起，并创建一个环形虫洞。这个虫洞连接了两个本来没有联系的平坦宇宙。宇宙弦的存在使得虫洞静止和可穿越。

Frolov、Krtouš和Zelnikov研究了这种环形虫洞时空中静态源的引力场。他们发现，如果你在虫洞的一个入口周围放置一个扁平的薄质量壳，那么另一个入口附近的引力场将受到虫洞存在的影响。特别地，他们发现另一个入口附近的引力势将取决于距离入口的径向距离和围绕它的方位角。

这意味着如果你在虫洞的一个入口附近的不同位置有两个相同的时钟，它们之间的读数差将随时间线性增长，产生一个恰当时间差。如果这个差距变得大于通过虫洞的旅行时间，那么闭合类时曲线就会出现。闭合类时曲线是时空中的一条路径，它在空间和时间上都返回到它的起点。这意味着如果你沿着一个闭合类时曲线行走，你可以遇见你过去的自己或影响你自己的历史。

这个过程不可避免地将这样一个可穿越的环形虫洞转变成一个时间机器。作者估计了这个过程的时间尺度，对于一些现实的参数，发现它可以短至几年。

这个模型有什么影响和挑战

环形虫洞和时间机器的可能性既令人兴奋又令人困扰。一方面，它为探索其他宇宙或时间，以及在极端条件下测试基本物理学提供了新的可能性。另一方面，它也给我们对因果关系和自由意志的概念带来了严重的悖论和不一致性。例如，如果你试图在他遇见你祖母之前杀死你祖父会怎么样？或者如果你试图阻止自己进入虫洞怎么样？

这些悖论不是特定于环形虫洞，而是涉及到任何包含闭合类时曲线的时间旅行模型。一些物理学家提出了各种方法来解决或避免这些悖论，比如 Novikov 自洽原理、量子力学中的多世界解释或历史保护猜想。然而，这些提议都没有得到普遍接受或证明。

这个模型面临的另一个挑战是，它依赖于一些假设和近似，可能在现实中不成立。例如，它假设环形虫洞是与任何外部影响隔离的，比如辐射或扰动。它还假设虫洞是无限薄的，并且引力场是弱的。这些假设可能对于现实的虫洞或源不成立。此外，还不清楚如何在自然界中创建或找到这样一个环形虫洞，或者如何操纵它来达到所需的时间旅行效果。

因此，虽然这个模型在数学上是一致和有趣的，但它远非是建造一个时间机器的实用或现实的方法。它更像是一个理论练习，展示了虫洞物理学和时间旅行的一些可能性和挑战。