- 论文：时空隧道设计论文写出来可以加分，谢谢了3000字
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- 2008：时间机器开转——年内启动的大型强子对撞机有可能打开时空隧道作者：何积惠
也许你已经知道，迄今为止规模最大的粒子加速器——大型强子对撞机（LHC）将于年内运转。两位俄国家预言，它有可能被证明是世界上第一台时间机器。
穿越时空总是能让人产生浓厚的兴趣，也成为很多科幻电影热衷的题材，像《回到未来》、《穿越时空爱上你》、《12只猴子》等。
要想在过去、现在和未来间自由穿梭，只有在时间机器建成后才有希望变为现实。
当LHC投入运转后，每个在其中通过的粒子会在时空中形成一种冲击波，让周围的空间和时间发生扭曲。当两个这样的引力波彼此朝对方趋近的时候，可能会造成十分壮观的结果。在某些极端场合，撞击的引力波会在时空中撕出一个“虫洞”来，即通常所说的可以穿越时空的隧道。
如果LHC真的做到了这点，那么，任何研究领域所取得的进展都会黯然失色。从这个意义上说，强子对撞机可能标志着一个历史新里程，而2008年，则有望成为时空元年。
把时间扭曲成环路
数十年来，物理学家一直在努力探索时空之旅可能的真实机制。对于时空如何发生变化的最佳描述，源自于爱因斯坦的广义相对论，所以研究人员一直在寻找它的某些瑕疵——或者说尚未引起重视的层面，以期取得突破。通过以往这些努力源源不断地涌现出的时间机器蓝图，从来没有脱离设计的初级阶段；而随着大型强子对撞机的运转，尽管仍有一些不确定性，科学家终于可以揭开谜底了。
位于瑞士日内瓦附近欧洲核子研究中心的大型强子对撞机（LHC），长约27公里,有12层楼高，绕它而行要花4个多小时。当LHC在全速运行时，它会给每个在里面飞速绕行的粒子输入7万亿电子伏（TeV）的能量。从日常生活的角度来看，这点能量也许实在不起眼，1TeV的能量甚至还抵不上一只飞蚊所产生的动能。然而，一颗亚原子粒子只不过是蚊子大小的万亿分之一，当1TeV的能量浓缩到亚原子粒子上时，它就可能对宇宙的结构产生非同寻常的影响。
按照广义相对论，宇宙万物是在具有三维空间和一个时间维度的背景上历经兴衰的。时空有一种不寻常的现象，那就是它会由于宇宙中的物质和能量而发生弯曲或扭曲。后者也是万有引力的根源所在。举例来说，地球的质量会使周围的空间发生弯曲，造成邻近地球的一切物体受到一种趋向于它的吸引力。
时间的扭曲则较难进行直观想象，但是在任何质量或能量面前，它确实会发生极微弱的扭曲。足够大的质量密度或能量密度甚至还能将时间扭曲成可以往返的环路，正如一块橡胶平板经过卷曲能形成一个圆柱面那样。物理学家称这样的环路为“类时闭曲线”至少从理论上说，它们允许我们重访过去的某个时间点。
奥地利数学家库特·哥德尔最早尝试揭示闭合类时曲线形成之谜。1949年他论证了下述观点：如果整个宇宙在进行自转的话，那么相对性就应该允许这种自转创造条件，让时间形成可以往返的环路。要是你进入这个环路，就会一再地重访同样的地点，直到你设法脱身为止。当哥德尔把他的计算结果拿给爱因斯坦看的时候，这种想法一度令爱因斯坦困惑不已。
1976年，新奥尔良图兰大学的弗兰克·蒂普勒证明：巨大的质量密度，加上无限长的、快速旋转的圆柱体是如何创造穿越时空的类似机会的。但最终的谜底并没有因此而揭晓：这毕竟不是一台不久将来的某时能被建造出来的机器。
引力波撕出“虫洞”
1988年，情形变得更加耐人寻味了，加利福尼亚理工大学的基普·索恩及其同事们的论证表明：穿越时空的隧道（专业术语称为虫洞）将使时空之旅成为可能。在这种情况下，虫洞会造成一个时间环路。在这个环路中的旅行，有点像穿越山峦底下的隧道：通过翻山越岭固然可以来到另一侧，但是隧道却会让你更快捷地抵达那里。
大型强子对撞机可能会创造出虫洞，从而实现某种形式的时空之旅。由于暗能量神秘的“幻影”性质，时空具有一种内在的排斥力，不仅可使虫洞的出入口保持敞开，甚至还能增大到足以让人穿越而过。
这正是LHC所肩负的一个使命。莫斯科斯捷克洛夫数学研究所的阿列菲娃和伏洛维奇相信，LHC可能会制造出一个虫洞，从而实现某种形式的时空之旅。每个通过大型强子对撞机的粒子，会在时空中形成一种冲击波，即产生一种造成周围空间和时间扭曲的引力波动。当两个这样的引力波彼此朝对方趋近的时候，可能会造成十分壮观的结果。在某些场合，撞击的引力波会在时空中撕出一个孔。
具有这样的特性的条件究竟是什么，取决于确切的时空性质，但是我们迄今并未对此透彻了解。爱因斯坦的相对论确实提供了对时空性质的一种宏观描述，但那只是初步的估算。若想求出它需要多少能量才会撕出一个孔，则必须借助对时空进行微观水平上的描述，对于微观描述，即对于量子引力的理解，在目前我们仍然力不从心。
不过人们可以想象，LHC能制造在时空中撕出一个孔所必需的条件。按照物理学家当前普遍认同的理论，除涉及在1016TeV的能量附近发生的现象外，量子引力并不会发生明显的作用。然而，由加利福尼亚大学伯克利分校的尼玛·阿卡尼-哈梅德小组的研究却表明：量子引力在低至1TeV的能量下就可能生效了。
两位数学家的推测
阿列菲娃和伏洛维奇对时空奇异效应的推测是始于下述认知：LHC也许威力大到足以形成微型黑洞。两个以14TeV结合在一起的能量进行对撞的质子，可望形成直径为10-18米的黑洞。这种想法实在太让人着迷了，但它只是代表了一种可能性。去年，阿列菲娃和她的同事们重新研究爱因斯坦方程，以期找到类时闭曲线的形成途径。正是在这一过程中，她们碰巧发现了大型强子对撞创造时间机器的可能性。
粒子撞击产生虫洞的可能性，已引起一些物理学家的重视。普林斯顿大学的理查德·戈特认为，“这是一篇引人注目的论文。”他早在1991年就提出：加速粒子可能是通向时空之旅的一条途径。他在当时刊载于《物理评论快报》的一篇论文中声称，如果超高能粒子受到瞄准而略有偏离的话，那么它们就会使周围的时空发生足够的扭曲，以致两个扭曲的时空通过相互作用而形成一条类时闭曲线。
但根据戈特的计算，最终结果却并不十分清晰：变形了的时空所形成的很可能是一个黑洞而并非时间机器。戈特说道，“建造时间机器所需要的时空扭曲，与形成黑洞所需要的条件很相近。”现在阿列菲娃和伏洛维奇经过计算认定：大型强子对撞机创造虫洞和微型黑洞的机会是同等的，虫洞甚至还可能以每两秒钟一次的频率出现。
然而，这并不是说，我们到圣诞节时就能实现时空之旅了。要打开时间之门，依然存在着为数不少的障碍。第一个障碍是，人们也许认为它们是微型虫洞，只有细小如亚原子粒子才得以完成穿越之旅，但这并非事实。伏洛维奇说，也许，我们最多只能希望它提供一个虫洞存在的鲜明标志。如果在LHC的撞击中有什么能量不守恒，那也可能是因为撞击中形成的粒子已遁入虫洞了。
第二个障碍，也与虫洞的大小有关。虫洞的出入口（俗称“嘴巴”）犹如橡胶球的口，具有一种让自身闭合的倾向。要避免这种情况，惟一的途径是用某种导致排斥力而不是吸引力的奇异物质将虫洞撑开。
“幻影能量”不可或缺
那么，是否存在任何这样的物质呢？在这一点上，阿列菲娃和伏洛维奇把他们的推测扩大到似乎在加速宇宙膨胀的神秘的“暗能量”上。他们声称，暗能量也许正是促使虫洞入口保持敞开所必需的；但要确定这一点是否可能，我们还得了解另一个问题的答案：随着时空的膨胀，暗能量的密度是增加、减少还是保持恒定呢？
当物理学家在解释观察结果时，通常假定时空膨胀变化为如下的模式：包含在每立方厘米时空中的能量保持着“恒定”，宇宙的膨胀并不会将能量“稀释”。不过，也有少数物理学家把希望寄托在另一种可能性上，那就是随着时空的膨胀，每立方厘米会增添更多的能量。如果暗能量确实具有这种“幻影”特性的话，那么时空就会具有一种内在的排斥力，不仅可使大型强子对撞机的虫洞出入口（俗称“嘴巴”）保持敞开，甚至还能增大到足以让人穿越而过。达特茅斯学院的物理学家罗伯特·考德韦尔得出结论，“观察所得的佐证是倾向于幻影能量。”
未来的文明或许会探询出如何稳定和扩大虫洞的途径，然后通过对两个出入口的操纵以打造一条时光隧道。
密度增加、减少还是保持恒定的三种可能性，究竟哪一个是正确的，目前仍无法最后判定。葡萄牙里斯本大学的弗朗西斯科·洛勃，是少数赞成幻影能量存在的科学家；按照阿列菲娃和伏洛维奇的计算结果，正是这种能量有助于虫洞保持敞开。然而，正当人们打算回归未来之际，洛勃却对这项工作泼起冷水来。他认为，“即使原理上能看到虫洞的鲜明标志，也无法保证时间机器是存在的。”他还认为，我们也许会在LHC上找到虫洞的蛛丝马迹，正像可能发现黑洞形成的迹象那样，但这并不足以形成一个可供旅行的时间环路。
虫洞是指从“常态”的时空中向外突出的环路，就像茶杯上外突的一个手柄。打个形象的比喻，在苹果的表面，从一个点到另一个点需要走一条弧线，但如果有条虫在这两个点之间蛀出一个洞，通过这个虫洞就可以在两个点之间走直线了。但要使虫洞转变成一台时间机器，就必须确保这个“手柄”的两端恰好在正确的时间点上紧贴住杯子。
时空之旅引发悖论
到目前为止，人们已提出各种不同的方案来建立这样的时空穿梭，但它们总是有点儿异想天开。比方说，将虫洞的一端锚定在中子星上，或许可以达到这个目的。星体的引力场密集，可放慢时间的进程，这样星体附近的虫洞出入口就会形成一个相对于其他出入口的时间差。可以想见，此刻可能会有一个时空旅行者跳进去，再从过去的某个点上冒出来，然后穿越常态空间，抵达虫洞的另一端，徘徊着伺机再度跳进去。然而，正如洛勃所指出的，这可不是那种我们在可预见的将来就能玩的“游戏”。
也许，未来的文明会探测出如何稳定和扩大虫洞的途径，然后通过对两个出入口的操纵以打造一条时光隧道。如果快速运动的粒子与幻影能量相结合，今年在日内瓦科学家确实创造出一个虫洞来，那么某种先进的文明可能会在他的以往历史中发现这个虫洞，精确地选定一个时间点，再利用它们的技术对我们进行一次访问。
与此同时，这种可能性还会迫使我们去面对由时空之旅所引发的诸多悖论。最具典型意义的例子，要数“外祖母佯谬”：如果一个人真的返回过去，并且在其母亲出生前就杀死了自己的外祖母，那么这个经过时间旅行的人还会存在吗？也许正是考虑到诸如此类的佯谬故事，早在1992年著名的英国宇宙物理学家斯蒂芬·霍金就指出：物理学的定律在本质上是“密谋”反对时空之旅的。他以“年代学保护猜想”给解决这个佯谬昭示了方向：自然界总会找到一个不仅阻止人们回到过去的时光中去旅行，还阻止他们去干预或改变历史的办法。
（何积惠译自《新科学家》）