时间隧道在哪里?

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1905年,法国科学家庞加莱(Henri Poincaré)提出了一个著名的猜想:如果存在一个虫洞的话,它将是一个黑洞。 事实上,在爱因斯坦方程的一个解中,存在着一个奇异的解能够描述这样的一个时空:它有一个黑洞中心,但是周围是平坦的时空。这被称为爱因斯坦静态宇宙模型。

1963年,美国物理学家惠勒(John Wheeler)和德国物理学家雷斯尼克(Ernst Stueckelberg)独立提出,可以利用量子理论来解释重力现象。

他们在论文《引力与量子力学》中这样写道:“根据现有的物理学知识,不可能建立一套完整的统一场论,也就是说不能构建一个模型将电磁理论和广义相对论统一起来……然而,有人提出一种新思路:既然量子力学能够在微观领域取得成功,为什么不在宏观引力场中去尝试一下呢……”他们假设了时空可能具有的结构,其中就包括了时空有可能是不连续的,并由此引发了日后对量子引力研究的热潮。

1980年,两位美国的物理学家阿什托姆(Jim Ashworth)和霍金(Stephen Hawking)证明了如果真空的量子场具有连续的能量谱,那么时空就不可能存在边界——这就否定了爱因斯坦静态宇宙模型的可能。但是,如果量子场具有不连续的能量谱,则可能允许时空存在边界。

1981年,霍金和罗杰·彭罗斯证明,如果一个量子引力系统具有熵,它就必定具有不连续的能量谱——即所谓的霍金辐射。 随着20世纪70年代晚期全息原理的出现,人们认识到自然界并不存在边界,因为任何物理量都可以通过求和的形式表示成全局的量,从而消除了边界的问题。

但另一方面,人们发现可以通过粒子在时空中运动的路径来追踪物质的历史,这在量子力学中被称为路径积分。 在1987年的一篇经典论文中,德国物理学家泽多夫斯基(Peter Zurawelski)论证了沿着一条特定轨迹的路径积分实际上可以重写为整个时空中的积分,而这条轨迹本身并不重要。虽然时空可能没有边界,但时空中的点是可以被区分开的。这意味着可以构造一个虫洞。 需要提一下的是,尽管这篇文章的结论基于量子场论,但它不需要量子场具有能量谱。所以,这个结果适用于广相中所有被近似为经典场的量子体系。

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