在上帝視角中建立的一個理想座標系,在其內測量一個天體的直徑,請問這樣的結果和實地測量有差別嗎?
要知道網格線是不受天體影響的,也就是說天體對時空產生的影響是完全被網格線所忽視的,我們測量的僅僅是座標距離,如果該天體上的生物拿著真實存在直尺去測量天體直徑,結果會怎樣呢?
因為文章中並沒有給出具體的線元表示式(作為科普文章,這種公式還是不要出現為好),求距離的過程也就不給了,但結果可以告訴大家,實際測量的結果是大於座標距離的,對應的,我們可以說是尺縮效應,原本在平直時空中的米尺對應到座標距離是一米,但到了史瓦西時空,原本的米尺對應的座標距離卻小於一米了,而座標距離一直沒有變,那麼史瓦西時空下的米尺自然測出的實際長度要大於座標距離了。而這個現象正是空間內稟彎曲的體現。
也就是說,如果我們在該天體的赤道面上任選一根半徑線,由天體中心向外一直延伸,我們會發現隨著距離變遠,米尺自身的固有距離也逐步的與座標距離想接近,在無窮遠處米尺固有距離與座標距離相等(實際上,無窮遠處對應的時空可看做平直時空,米尺的固有距離和座標距離自然是相等的)
雖然理論上我們知道了如何判斷時空的內稟彎曲屬性,但如何直觀的表現出來呢?如何才能畫出一段長度的固有距離和座標距離呢?
我們先從一根半徑出發,畫出一個平面直角座標,x軸代表座標距離,畫出一段曲線,在曲線上任取兩點,在x軸上取兩條垂線,分別過兩點,於是兩點對應的x座標就出來,x軸上的兩點對應的就是座標距離,而曲線兩點間的曲線段長度代表固有距離,如下圖所示:
圖中曲線的分佈及走向是經過計算得到的
此時我們注意到,上面的曲線僅僅是一根半徑線所代表的距離,而天體赤道面具有無數根半徑線,因次我們現在需要將這幅圖以y軸為中軸線旋轉一圈,就能得到整個赤道面上的空間形狀,變為下圖:
現在這張圖片相信大家都很熟悉了,就是相關科普文章都會用來介紹時空彎曲的圖片,有時候我們會好奇為什麼圖片上的時空只是一層網格線呢?實際上那是因為它只畫出了天體赤道面附近的空間彎曲情況,這也就是所謂的嵌入圖。
需要注意的是,雖然這個嵌入圖看似直觀表現出了空間彎曲性質,但它表現得只是空間彎曲的二維體現,因為這幅圖雖然看著是三維的,但其本質仍然之前的那張單根半徑線的二維平面圖,實際上空間彎曲是立體的,但為了方便直觀理解,只能採用降維的辦法,將原本立體的彎曲轉變為平面的彎曲,但空間彎曲的主要性質還是體現的比較好的。
不過有些朋友要問了,你不是要介紹蟲洞嗎?這個嵌入圖雖然挺好看的,但洞在哪裡呢?蟲洞沒洞還怎麼穿越啊?
這裡需要再提到一個新概念——“史瓦西時空的最大延拓”,還記得之前提到的史瓦西線元嗎?這裡的延拓就是在史瓦西線元的基礎上,進行了一次優化,因為史瓦西線元在視界處存在奇性,這裡的視界處也就是史瓦西半徑處。為了將這裡的奇性消失,需要將線元表示式做一次更換,更換後的線元被稱為克魯斯克爾線元。
而這個克魯斯克爾線元所展現出的時空極大的拓展了原有的史瓦西時空,我們一般所說的史瓦西時空僅僅是最大延拓的一部分,在整個全的時空中存在四個部分,一個是黑洞區域、一個是白洞區域,還有兩個宇宙,如果考慮到這些,那麼上面的嵌入圖就需要進行一次翻折,變為下圖:
我們可以看到,熟知的蟲洞模型出現了,由於是從史瓦西時空研究出來的,也被稱為史瓦西蟲洞,或者叫做愛因斯坦羅森橋(這是當年愛因斯坦等人最早發現的)
在這個圖片中,被稱為蟲洞的部分是位於之前的翻折處附近,如上圖所示。這個被稱為喉的部分,正是處於史瓦西半徑位置,而蟲洞就是在這個喉的附近,即座標稍微大於史瓦西半徑距離的地方。
說到你,大家可能迫不及待的想要知道既然蟲洞已經出現了,那麼是不是就可以開始穿越了呢?
很遺憾,雖然蟲洞確實被構造出來了,但要命的是這個喉,由於它位於史瓦西半徑處,也就是事件視界的位置,而我們知道事件視界是一個單向膜,物體只能進不能出,從光錐的角度考慮,想要逃出事件視界的唯一辦法就是使自己的世界線變為類空型,通俗的說就是速度要超光速,很顯然這是不可能,因此如此以來因果性就會遭到破壞。
所以說這樣的史瓦西蟲洞是不可穿越的,那麼我們之前文章中提到的“穿越時空,回到過去”也就成了泡影。難道真的就一點辦法都沒有了嗎?
這時候我們來理一下思緒,由於史瓦西蟲洞的喉正好位於事件視界位置,因為史瓦西蟲洞在理論就已經斷絕了穿越的可能性,那麼有沒有可能將喉的位置遠離事件視界,或者說除了史瓦西蟲洞之外,還有其他型別的蟲洞嗎?
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