星际穿越物理学学习教案.pptx

为什么宇宙飞船要旋转？
这是一个比较简单的问题。首先简单解释一下对于在太空飞行的宇航员来说何谓 “失重”。
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为什么宇宙飞船要旋转？
下面是一些关键点：
太空里仍有万有引力；
当宇航员（和其中的一个奇点——这是件必死无疑的事情，因为奇点巨大的引力会将任何一个试图靠近的人撕得粉碎。
索恩也在这部电影的配套书籍《星际穿越中的科学》中写道：“任何试图穿越（虫洞）的人或物都会在夹止过程中被毁灭。”
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宇航员能活着穿过虫洞吗？
如果黑洞转起来，形成一个克尔黑洞呢？
当然我们还有选择的余地：广义相对论认为还有可能存在着一种转动着的克尔黑洞（Kerr black hole）。与史瓦西黑洞中的球体不同，克尔黑洞中的奇点是一个环。有一些模型认为，人可以舒服地从这个环的中间通过，就像篮球通过篮筐那样。但是索恩对此观点有诸多异议。在1987年他发表的一篇关于穿越虫洞的论文中，他提出克尔黑洞的喉部具有一个非常不稳定的区域，叫做柯西视界（Cauchy horizon）。数学告诉我们，任何物质，包括光，试图通过这一视界的时候，这个通道都会坍缩。而且即使通过什么特殊的途径使得这个虫洞稳定下来，量子理论告诉我们虫洞里也将充满各种高能粒子。涉足克尔黑洞，会被炸得像薯片一样脆。
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宇航员能活着穿过虫洞吗？
如果再加入一些量子理论呢？
现在的关键是，经典引力理论尚未与量子理论完美结合——虽然有很多研究人员试图搞定它，但是用数学来表示量子世界依然很难实现。不过在一方面，普林斯顿大学的胡安·马尔达西那（Juan Maldacena）和斯坦福大学的伦纳德·萨斯坎德（Leonard Susskind）认为，虫洞可能是量子纠缠态的物理表现——这种状态下的物体不论距离多远都是相互关联的。
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宇航员能活着穿过虫洞吗？
如果再加入一些量子理论呢？
爱因斯坦曾讥讽量子纠缠为“鬼魅般的超距作用”，并拒绝接受这一理念。但是很多实验告诉我们量子纠缠是真实存在的——这一现象甚至在商业上都得以应用，例如在银行交易时用以保护在线传输的安全性。根据马尔达西那和萨斯坎德的理论，大量的纠缠态变化会改变时空的几何形态，以纠缠态黑洞的形式形成虫洞。但是这个版本的虫洞并不会使星际穿越之门。
“这些虫洞并不能让你超光速航行，”马尔达西那表示，“但是它可以让你与虫洞里的人见面，当然得提前警告你们，两边的人会同时死于引力奇点的作用。”
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宇航员能活着穿过虫洞吗？
除了黑洞，我们还有其他的选择吗？
所以，黑洞是个大问题。那，虫洞可能是什么？哈佛-史密森尼天体物理中心的阿维·勒布（Avi Loeb）表示其实要形成一个虫洞的话，我们还有很多可能性：“因为我们现在还没有一个理论可以很好地将广义相对论与量子理论统一起来，所以我们还不知道能够形成虫洞的时空结构都有哪些可能性。
还有一个问题。索恩在他1987年的工作中发现，符合广义相对论的任何类型虫洞都会坍缩，除非它是由具有负能量的“奇异物质”支撑着的。他认为我们有证据表明奇异物质的存在，因为实验表明真空中的量子涨落似乎会产生一个负压，就像两面紧靠着的镜子一样。勒布还表示，我们观察到的暗能量可能进一步暗示着宇宙中奇异物质存在的可能性。
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宇航员能活着穿过虫洞吗？
除了黑洞，我们还有其他的选择吗？
我们的宇航员，似乎真的凶多吉少。
“纵观宇宙近代史，不难发现河外星系都在远离我们而去，而且速度越来越快，就像是受到了反重力的作用一样，”勒布表示，“如果我们认为宇宙中充满具有负压力的物质，就可以解释宇宙的加速扩张……就像是我们制造一个虫洞所需要的那种一样。”当然，这两位科学家都认为，自然形成一个虫洞需要的奇异物质太多了，而且只有高度发达的文明才有可能收集足够的奇异物质，来维持虫洞的稳定。
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宇航员能活着穿过虫洞吗？
除了黑洞，我们还有其他的选择吗？
当然其他的物理学家并不太相信这一观点。马尔达西那表示： “一个稳定的，可以穿行的虫洞的存在会让人十分困扰，因为这与已知的物理学定律相违背”。 北欧理论物理研究所的萨宾·霍森菲尔德（Sabine Hossenfelder）对此更加怀疑：“我们目前没有任何证据表明它（奇异物质）存在。实际上很多人都认为它不可能存在，因为那样的话真空就会不稳定。”即使奇异物质存在，想要漂亮地穿越虫洞，可能也不是那