理论上讲，虫洞是连接白洞和黑洞的多维空间隧道，无处不在，却转瞬即逝。然而，有些人想象一种奇怪的物质可以保持虫洞打开。
事实上，即使虫洞确实存在，通过虫洞进行时间旅行在目前仍然是不可能的，因为虫洞中的引力如此之大，任何东西都无法穿过它们。而且，有些人认为虫洞是如此的不稳定，以至于试图穿过它们的物质在时间和空间上的作用可能会使它们消失。但是一些科学家认为研究虫洞有很大的价值。
什么是虫洞？
提问者:霍金(20.1.438+0)
早在20世纪二三十年代，爱因斯坦和物理学家罗森就已经发现，在复杂的牵引场公式中，出人意料地隐含着可能存在一条时空隧道，连接着宇宙中两个不同的地方。这种时空结构被称为“爱因斯坦-罗森桥”。
1985年，著名天文馆学者萨根刚刚写完《时空之触》，邀请他的老朋友物理主义者基普，看看用瞬间来描述宇宙之旅在科学上是否可行。没想到，这个小趣闻却激起了时空旅行科研的热潮。
经过深入研究，基普博士和他的研究团队发现时空旅行并不违反今天已知的科学理论，并进一步提出了利用虫洞进行时空旅行的想法。
虫洞理论上是连接两地的特殊通道。让人类瞬间穿越宇宙，甚至穿越时空。
与黑洞不同的是，黑洞是大质量恒星死亡后的必然产物，但在自然界中，并不存在会自然产生虫洞的机器。从纯理论上讲，有两种可行的方法可以制造虫洞。
方易发
如果我们有一个现实中不可能存在的超微型镜子，我们可以看到小到。
在10-35米的空间中(这个尺寸比原核小10-10倍)，我们会发现原来的时空看起来是光滑的，但实际上充满了大量的不规则性和机器产生的时空扭曲，科学家称之为量子气泡。偶尔这些时空扭曲会形成一些小的虫洞，只要我们有无限前进的文明，或者也许有办法找到这些虫洞并抓住它们，然后用奇异的物质将其扩大到可用的大小。
注:怪东西是具有反重力特征的东西，理论上可以存在，但现实中是否存在还是个谜。
方姬发
如果人类有了先无止境前进的文明，我们也可以尝试扭曲空间，先在空间上压一个凹洞，然后轻轻弯曲空间，最后同时刺穿凹洞底部及其下方的空间，再将空间两端缝在一起，产生虫洞。
由于虫洞和奇异物质所涉及的极其深奥的物理理论，在这有限的一页中实在难以说清楚。感兴趣的朋友可以参考基普·s·索恩教授的《田文普》和他的著作《黑洞&；时间扭曲.
陈
太空博物馆助理馆长
5.2.2001
地球是否处于时空漩涡中？
答案即将揭晓。由美国国家航空航天局和斯坦福大学进行的物理和物理验证“重力探测器B”最近完成了为期一年的地球轨道科学数据收集工作，科学家估计还需要一年的时间来分析这项工作。该果实将揭示地球球体周围的时空形状是否真的像漩涡一样扭曲。
根据爱因斯坦的对立学说，时间和空间相互交织，形成四维的“时空”结构。地球球体的巨大质量可以让这个时间变得空虚和弯曲。如果像蹦床，情况就像一个笨拙的人坐在蹦床上，会让蹦床下面掉一个浅浅的坑。爱因斯坦宣称，引力实际上是物体沿弯曲空运动的果实。
如果地球球是静止的，那么这件事就结束了。但众所周知，地球仪是旋转的，地球仪的旋转会带动周围的时空，把浅坑扭曲成四维漩涡。将卫星B(一种重力仪)发射到太空的目的就是为了研究这种现象。
回测后的原理很简单:把旋转回转器放在地球球周围的轨道上，旋转轴指向远处的星体作为固定基点。在没有外力的影响下，自转机制应该是永远永远指向同一个恒星。但如果时空扭曲，陀螺的转轴方向会随着时间移动。换句话说，我们只有找出旋转轴离恒星有多远，才能测量出时空的扭曲范围。
其实知易行难，难如登天。
重力仪B卫星上的四个陀螺仪是人类制造的最漂亮的球体。这些球有乒乓球那么大，由石英和硅制成的球的直径在3.8厘米左右，距离完美球的距离不会超过40层。如果回转器不是那么圆，那么它的转轴就会摆动，而不受相反理论的影响。
根据计算，地球球体周围的时空，每年只会造成陀螺转轴漂移0.041角秒，一个角秒是1度的1/3600，可见范围很小。要精确测量这个角度，重力仪B要达到0.0005角秒的精度，精度要等于在160 km外测量一张纸的厚度。
重力探测器B的研究人员开发了一套全新的技术，将不可能变为可能。他们开发了一种“无阻力”卫星，这样虽然卫星从不与地球大气层外层发生断裂和摩擦，但不会影响陀螺。此外，他们还想出了如何阻止地球的可渗透磁场进入飞船，从而研制出一种不用接触陀螺就能测量其旋转的仪器。
进行这项实验是一项不同寻常的艰巨挑战。经过或多或少的不眠之夜和资源的投入，专注于探测器B的科学家们终于可以克服所有困难，找到解决方案。
斯坦福大学重力探测器B的第一位研究员弗朗西斯教授。法国和日本验证的手表没有什么“意外”，目前小时数据的收集工作已经完成。他说，重力探测器B的科学家们现在“很兴奋”，知道还有大量繁重的工作等着他们。」
仔细彻底分析数据的工作正在进行中。根据法国和日本教义的解释，这项工作将分三个阶段进行。首先，他们会研究每天收集的数据，找出是否有不规律的地方，然后他们会大概一个月比较一次数据，最后分析全年的变化。虽然这种分析方法比其他方法更复杂，但也更全面。
全球的科学家们最终会检验这些数据。按照法国和日本的教导，“我们希望对我们评判最严厉的人是我们自己。”」
科学家们下了一个巨大的赌注，假设他们在时间和空间上找到了预测的漩涡，这意味着爱因斯坦是对的。但是，如果我们赢了一个空宝，爱因斯坦的情理理论能破吗？这个理论与事实之间的小错误，必将掀起物理科学的又一次革命。
杯赛揭幕前还有很多数据要分析，还是擦擦眼睛等着吧！
时间膨胀:
所谓的时间膨胀效应与长度收缩非常相似，它是这样的:
当两个事件发生在不同的地方时，它们在一个参照系中的时间间隔。
它总是比在同一地点发生的同样两个事件之间的时间间隔长。
这就更难理解了，我们还是用传说来说明:
图中的两个闹钟都可以用来测量第一个闹钟从A点移动到b点所需的时间，但是，两个闹钟给出的结果不同。我们可以这样想:我们提到的两个事件是“闹钟离开A点”和“闹钟到达B点”。在我们的参照系中，这两个事件发生在不同的地方(A和B)。不过，还是从图片上半部分闹钟本身的参照系来观察这件事吧。从这个角度来看，上半部分的闹钟是静止的(所有物体相对于自身都是静止的)，而刻有A点和B点的线条是从右向左移动的。所以“离开A点”和“到达B点”都发生在同一个地方！(上半部分闹钟测得的时间称为“正确时间”)根据上面提到的点，下半部分闹钟记录的时间会比上半部分闹钟从A到B记录的时间长。
这个原理的一个更简单但不太准确的陈述是，运动的钟比静止的钟走得慢。关于时间膨胀最著名的假设通常被称为孪生悖论。假设有一对双胞胎，哈里和玛丽。玛丽登上一艘快速飞离地球的宇宙飞船(为了效果明显，宇宙飞船必须以接近光速的速度运动)并很快返回。我们可以把两个人的身体想象成一个时钟，用年龄来计算时间的流逝。因为玛丽走得很快，所以她的钟比哈利的慢。因此，当玛丽返回地球时，她将比哈利年轻。年轻多少取决于她走了多快多远。
时间膨胀并不是一个疯狂的想法，已经被实验证实。最好的例子是一种叫做介子的亚原子粒子。介子衰变需要多长时间已经被非常精确地测量出来了。无论如何，据观察，接近光速运动的介子比静止或缓慢运动的介子寿命更长。这就是相对论效应。从运动介子本身的角度来看，它并没有存在更长时间。这是因为从它自己的角度来看，它是静态的；只有从实验室的角度看介子，才能发现它的寿命被“延长”或“缩短”了。？
需要补充的是，很多实验已经证实了相对论的这个推论。(相对论的)其他推论只能以后证实。我的观点是，虽然我们把相对论称为“理论”，但不要误认为它需要证明，而且它(实际上)非常完整。
与相对论处于同一水平的理论。
简单来说，光在运动的时候，可以看作是由光子(粒子)组成的，是类粒子的，同时它的运动是以波的形式传播的，是波动的。
更科学更复杂的说法:
波粒二象性
爱因斯坦第一个肯定了光既有波动性又有粒子性。他认为，电磁辐射不仅在发射和吸收时以能量hv的粒子形式出现，在空间运动时也有这种粒子形式。爱因斯坦的绝妙想法是在研究辐射的产生和转化过程中逐渐形成的。同时，实验物理学家也相对独立地提出了同样的观点。其中有W.H .布拉格和A.H .康普顿(亚瑟·霍利康普顿，1892—1962)。康普顿证明了光子和电子不仅有能量转化，而且在相互作用中有一定的动量交换。
1923年，德布罗意将爱因斯坦的波粒二象性推广到微观粒子，提出物质波假说，证明微观粒子也有涨落。他的观点很快被电子衍射等实验所证实。
波粒二象性是人类对物质世界认识的又一次飞跃，为波动力学的发展奠定了基础。
9.1爱因斯坦的辐射理论
早在1905年，爱因斯坦就在他的光量子假说中隐含了涨落和粒子是光的两种形式的思想。他分析了自牛顿和惠更斯以来波动论和粒子论的长期争论，指出了麦克斯韦电磁波理论的局限性，回顾了普朗克处理黑体辐射的思想，总结了与光和物质相互作用有关的各种现象。他认为光的能量在传播和与物质相互作用的过程中并没有分散，而是以能量光子的形式一个接一个地出现。
1909年6月，65438+10月，爱因斯坦再次撰文讨论辐射问题。9月，他在萨尔茨堡举行的德国物理学家和医生81会议上发表了题为“关于我们对辐射的性质和成分的看法的发展”的演讲。他使用能量波动的概念来研究悬挂在充满温度为t的热辐射的空腔中的完全反射镜的运动。如果镜子以非零速度运动，则给定频率V的辐射从其前表面反射的数量将多于从其后表面反射的数量。因此，反射镜的运动将被阻尼，除非它从辐射波动中获得新的动量。爱因斯坦利用普朗克能量分布公式推导出黑体辐射在体积V中频率在v→v+dv之间部分的能量均方涨落为
然后，爱因斯坦分别对以上两项进行了解释。前一项是能量量子的涨落，基于hν。后一项具有从麦克斯韦理论获得的电磁场波动的形式。前者代表颗粒性质，后者代表挥发性。爱因斯坦宣称:“这些考虑...表明辐射空间分布的涨落和辐射压力的涨落也表现得好像辐射是由上述大小的量子组成的。”他强调:“现代辐射理论(指麦克斯韦的光的波动理论)与这一结果并不相符。”如果(第一项)单独存在，就会导致(预期的)涨落，这种涨落出现在辐射由能量为hν的点状量子组成时。爱因斯坦用“点状量子”这个词来说明他已经把光量子当成了一个粒子。尽管爱因斯坦尚未形成完整的辐射理论，但他已经清楚地认识到，遵循普朗克能量分布公式的辐射同时具有粒子和涨落的特性。
在上述两篇论文中，爱因斯坦对辐射理论的状态表达了如下观点:
“我早就打算表明，必须抛弃辐射理论的现有基础”；“我认为理论物理发展的下一个阶段会给我们带来光的理论，可以解释为波动理论和发射理论的融合；”“不要把波结构和量子结构放在眼里...互不相容。”
爱因斯坦在这里预见到会有一个新的理论把波动性和粒子整合起来，虽然十几年后，新理论真正出现的时候，他还不能接受。关于这个问题，请读者参阅下一章。
1916年，爱因斯坦再次回到辐射的问题，发表了《辐射的量子理论》一文。本文总结了量子理论的成就，指出了旧量子理论的主要缺陷，并用统计方法重新论证了辐射的量子特性。
他考虑的基本点是，分子的离散能态的稳定分布是由分子和辐射之间不断的能量交换维持的。他假设能量交换的过程有两种基本方式，即分子跃迁的过程，一种叫自发辐射，一种叫受激辐射。根据这两种方式的概率，他推导出了玻尔的频率法则和普朗克的能量分布公式。这样，他就把前一阶段量子理论的所有成果统一成了一个逻辑上完整的整体。特别是爱因斯坦的受激辐射理论，为50年后激光的发展奠定了理论基础。
在这篇论文中，爱因斯坦认为，在分子与辐射相互作用的过程中，不仅有能量传递，还有动量传递。他假设在辐射束传播的方向上，
得到了hv/c的动量，它有明确的方向。他写道(2):“似乎只有当我们把那些原始过程看作完全定向的过程时，我们才能得到一致的理论”。“因为能量和冲量永远是联系最紧密的”，“那个小的效应(指冲量交换)应该被当作辐射引起的明显的能量转移。”
1921年，德拜在一次演讲中讨论了爱因斯坦的量子辐射理论。作为一个例子，他计算了光子和电子的碰撞，结果表明碰撞后光的波长变长了。当时，他建议他的同事P.Scherrer做一个X射线实验，看看波长是否真的发生了变化。可惜舒勒没有及时做实验，所以德拜暂时放下了研究。在此期间，康普顿一直试图为X射线散射后波长变长的实验结果寻找理论解释。在介绍康普顿的工作之前，我们还应该提到另一个与波粒二象性有关的事件，那就是布拉格(W.H. Prague)和巴克拉(C.G.Barkla)关于X射线本质的争论。
9.2关于X射线性质的争论
1912年德国劳厄的晶体衍射实验发现了X射线的涨落。在此之前，人们对X射线的本质有不同的看法。伦琴倾向于认为X射线可能是以太中的某种纵波，斯托克斯认为X射线可能是横向以太脉冲。因为X射线可以电离气体分子，J·J·汤姆逊也认为它是一种脉冲波。
X射线是波还是粒子？是纵波还是横波？最有力的标准是是否存在干涉和衍射等现象。1899中，Haga和Wind在X射线管前放了一个制作精良的三角形狭缝，观察X射线是否在狭缝边缘形成衍射条纹。一方面他们无法提前知道衍射的条件，另一方面方便测量顶点附近的图像展宽。从x光的照片来看，如果x光是波，那么其波长只能小于10-9 cm。这个实验后来被Walter和Pohl改进，得到的照片似乎有微弱的衍射图像。直到1912才有人用光度计测量了这张照片的光度分布，看到了真实的衍射现象。据此，索末菲计算出X射线的有效波长约为4×10-9 cm。
x射线的另一个影响相当明显。当它照射到物质上时，会产生二次辐射。这个效应是Sagnac在1897中发现的。Segnak注意到，这种二次辐射是漫反射，比入射的X射线更容易吸收。这一发现是为将来研究X射线的性质做准备。1906年，巴克拉确定X射线是偏振的。巴克拉的实验原理如图9-1所示。从X射线管发射的X射线以45°的角度照射在散射体A上，并且从A发射的次级辐射以45°的角度投射在散射体B上。从垂直于二次辐射的各个方向观察三次辐射后，发现强度变化很大。沿着垂直于入射光线和次级辐射的方向，强度最弱。由此，巴克拉得出结论，X射线是偏振的。
■图9-1巴克拉X射线二次辐射实验原理
但是偏振并不足以确定X射线是波还是粒子。因为粒子也可以解释这种现象，只要假设这种粒子有旋转。果然，在1907-8年间，一场关于X射线是波还是粒子的争论在巴克拉和布拉格之间展开了。根据伽马射线能电离原子、在电场和磁场中不偏转、穿透力强的事实，布拉格宣称伽马射线是由中性对——电子和正电荷组成的。后来，他以同样的方式对待X射线，并解释了各种已知的X射线现象。巴克拉坚持X射线的波动。两人各持己见，在科学期刊上展开辩论，双方都有一些实验事实支持。这场争论虽然没有得出明确的结论，但却给科学界留下了深刻的印象。
1912年，劳厄发现了X射线衍射，为波动理论提供了最有力的证据。布拉格不再坚持他的中性夫妇假说。但他总是直觉地认为，就像他自己说的那样，似乎问题在于“不是哪个理论是对的，而是要找到一个能容纳这两个方面的理论。”①布拉格的思想对后来的德布罗意有一定的影响。
9.3康普顿效应
在1923年5月的《物理评论》上，A.H .康普顿以轻元素X射线散射的量子理论为题发表了他发现的效应，并用光量子假说进行了解释。他写道②:
“从量子理论的角度来看，可以假设任何一个特殊的X射线量子都不是被辐射体中的所有电子散射的，而是在一个特殊的电子中消耗了它的全部能量，这个特殊的电子又把射线散射到一个特殊的方向，这个方向与入射的光束成一个角度。辐射量子路径的弯曲导致动量改变。结果，散射的电子反冲，动量等于X射线动量的变化。散射射线的能量等于入射射线的能量减去散射电子反冲的动能。由于散射的光线应该是一个完整的量子，它的频率也会随着能量成比例地降低。因此，根据量子理论，我们可以预计散射辐射的波长大于入射辐射的波长，并且“散射辐射的强度在原始X射线的正向上大于反向上，这是通过实验测得的。"
康普顿用图9-2来解释射线方向和强度的分布。根据能量和动量守恒，考虑相对论效应，散射波长为:
δλ是入射波长λ0与散射波长λ θ之差，h是普朗克常数，c是光速，m是电子的静止质量，θ是散射角。
■图9-2康普顿理论图
这个简单的推理对现代物理学家来说早已是常识，但康普顿却很难做到。研究这种现象花了十几二十年，康普顿才在1923得到正确的结果，康普顿自己走了五年弯路。这段历史从一个侧面展示了近代物理学产生和发展的不平坦历程。
从公式(9-1)可以看出，波长的变化取决于θ，与λ0无关，即对于某一角度，波长变化的绝对值是一定的。入射光线的波长越小，波长变化的相对值越大。因此，康普顿效应对γ射线比对X射线更显著。历史上就是这样。早在1904年，英国物理学家A.S.Eve在研究伽马射线的吸收和散射特性时，首先发现了康普顿效应的迹象。他的装置如图9-3所示。图中的辐射和吸收体其实是铁板、铝板等材料。镭管发射伽马射线，这些射线被散射体散射，然后被扔进静电计。在入射光线或散射光线的路径上插入一个吸收器，以测试其穿透力。伊夫发现，散射光线通常比入射光线“更柔和”。
后来γ射线的散射被很多人研究。在1910中，英国的D.C.H.Florance得到了明确的结论，证明了散射的二次射线取决于散射角度，与散射体的材料无关，散射角度越大，吸收系数越大。所谓光线软化，其实就是光线的波长变长了。当时γ射线的本质还没有确定，只能根据实验现象来表达。
■图9-3伊夫公司的设备(1904)
1913年，麦吉尔大学的J.A.Gray重做了伽马射线实验，证实了罗兰兹的结论，进一步精确测量了辐射强度。他发现:“单色伽马射线被散射后性质会发生变化。散射角越大，散射的光线越柔和。”
实验事实明明摆在物理学家面前，却找不到正确的解释。
康普顿在1919也受到了γ散射。他用精确的方法测量了γ射线的波长，并确定了散射后波长变长的事实。后来，他从γ射线散射转向X射线散射。图9-4是康普顿自制的X射线谱仪。钼的Kα射线经石墨晶体散射后，用自由腔测量不同方向的散射强度。图9-5是康普顿发表的部分曲线。从图中可以看出，X射线散射曲线明显有两个峰值，一个与原射线波长相等(常数线)，另一个较长(可变线)。可变线与恒定线的偏差随着散射角的变化而变化，散射角越大，偏差越大。
■图9-4康普顿X射线光谱仪
可惜康普顿和其他人一样，为了解释这个现象走了很多弯路。
他先是用J·J·汤姆逊的电子散射理论来解释γ射线和X射线的散射，后来又提出了荧光辐射理论和大电子模型。他假设电子具有一定的大小和形状，认为只要“电子的电荷分布区半径与γ射线的波长相当”，就可以在经典电动力学的基础上解释高频辐射的散射。为了解释为什么荧光辐射的频率变低，他试图用多普勒效应来计算。在计算中，他将X射线对散射物质中电子的作用视为量子过程。启动他
这个条件，在碰撞中，不仅要遵守能量守恒，还要遵守动量守恒，导致了1923年5月那篇历史性的文献发表在《物理评论》上。
■康普顿出版的图9-5部分曲线
接着，德拜也发表了一篇早已准备好的论文。他们的论文引起了强烈的反响。然而，这一发现并没有立即得到科学界的普遍认可，康普顿和他的领导人之间迅速展开了激烈的争论。这发生在1922之后，一份关于X射线散射的康普顿报告在交付出版之前，必须经过美国研究委员会物理科学部的一个委员会的讨论。他是这个委员会的成员。然而，这个委员会的主席W·杜安(W.Duane)强烈反对将康普顿的工作纳入其中，认为实验结果不可靠。因为杜安的实验室也在做同样的实验，却得不到同样的结果。
康普顿的学生吴从中国赴美留学，为康普顿效应的进一步研究和验证做出了巨大贡献。除了对杜安的否认做了许多令人信服的实验外，他还证实了康普顿效应的普遍性。他测试了各种元素的X射线散射曲线，结果都符合康普顿的量子散射公式(9-1)。图9-6显示了康普顿和吴。
在Xun 1924上发表过一个曲线，论文题目是:轻元素散射钼Kα线的波长。他们写道:“这幅图的重要之处在于，从各种材料中获得的光谱在性质上几乎完全相同。在每种情况下，不变线P出现在与荧光M0Kα线(钼的Kα谱线)相同的地方，而变化线的峰值出现在上述波长变化量子公式预测的位置M，在允许的实验误差范围内。”
■康普顿出版的图9-5部分曲线
■图9-6康普顿和吴在1924发表的曲线。
吴对康普顿效应最突出的贡献在于测量了X射线散射中变易线和常数线的强度比R随散射体原子序数变化的曲线，证实和发展了康普顿的量子散射理论。
爱因斯坦在肯定康普顿效应方面发挥了特别重要的作用。如前所述，爱因斯坦在1916中进一步发展了光量子理论。根据他的建议，伯特和盖革也试图用实验来检验经典理论和光量子理论谁对谁错，但都失败了。爱因斯坦在1923年得知康普顿实验结果时，曾多次在会议和报纸上热情宣传和赞扬康普顿实验，谈论其意义。
爱因斯坦还提醒物理学家注意:不要只看到光的粒子性。康普顿在实验中依靠X射线的波动来测量其波长。他在《柏林日报》4月20日副刊1924上发表了一篇题为《康普顿实验》的短文，有一句话:“...最重要的问题是考虑抛射体的性质是应该赋予光的粒子还是量子。