在這篇文章中，我將向你介紹一個物理學中令人著迷的話題：環形蟲洞和時間機器。這是一篇最近由Frolov、Krtou?和Zelnikov發表的論文的主要內容和結果，這篇論文是基于Gibbons和 Volkov 提出的一個環形蟲洞模型。

什么是蟲洞

蟲洞是時空中的一種假想的捷徑，它連接了兩個遙遠的區域或宇宙。想象你有一張紙，代表我們的宇宙，你想從一個點到另一個點旅行。最短的路徑是紙上的一條直線，但如果你能彎曲紙張并在上面打一個洞，你就能通過洞創建一條更短的路徑，那個洞就是蟲洞。

蟲洞通常被描繪為有球形入口的隧道，像黑洞一樣。然而，它們也可以有不同的形狀，比如平面圓盤或環形。這些被稱為環形蟲洞，它們看起來像通往另一個地方或時間的入口。

環形蟲洞如何變成時間機器

時間機器是一種讓你旅行到過去或未來的設備。實現這一點的一種方法是使用一個連接時空中具有不同時間流速的兩個區域的蟲洞。例如，如果蟲洞的一端靠近一個大質量物體或以高速運動，那么那里的時間將比另一端慢。根據廣義相對論，如果你從蟲洞的一端進入并從另一端出來，你會發現自己處于與你開始時不同的時間。

然而，這還不足以創建一個時間機器，你還需要確保蟲洞是穩定和可穿越的。這需要一些奇特的物質或能量，它們違反零能量條件，該條件規定任何觀察者測量到的能量密度不能為負。這樣的物質或能量可以產生負引力或排斥力，保持蟲洞開放。

這種奇特物質的一個例子是宇宙弦，它是一條極其密集的能量線，可能在早期宇宙中形成。宇宙弦可以有負角度缺陷，意味著它使時空圍繞它彎曲，使得三角形內角之和小于180度。宇宙弦也可以作為一種張力源，將蟲洞的兩個入口拉在一起。

Gibbons和Volkov 表明，如果你有兩個由具有負角度缺陷的宇宙弦圍繞的時空平面圓盤，你可以沿著它們的邊緣將它們粘合在一起，并創建一個環形蟲洞。這個蟲洞連接了兩個本來沒有聯系的平坦宇宙。宇宙弦的存在使得蟲洞靜止和可穿越。

Frolov、Krtou?和Zelnikov研究了這種環形蟲洞時空中靜態源的引力場。他們發現，如果你在蟲洞的一個入口周圍放置一個扁平的薄質量殼，那么另一個入口附近的引力場將受到蟲洞存在的影響。特別地，他們發現另一個入口附近的引力勢將取決于距離入口的徑向距離和圍繞它的方位角。

這意味著如果你在蟲洞的一個入口附近的不同位置有兩個相同的時鐘，它們之間的讀數差將隨時間線性增長，產生一個恰當時間差。如果這個差距變得大于通過蟲洞的旅行時間，那么閉合類時曲線就會出現。閉合類時曲線是時空中的一條路徑，它在空間和時間上都返回到它的起點。這意味著如果你沿著一個閉合類時曲線行走，你可以遇見你過去的自己或影響你自己的歷史。

這個過程不可避免地將這樣一個可穿越的環形蟲洞轉變成一個時間機器。作者估計了這個過程的時間尺度，對于一些現實的參數，發現它可以短至幾年。

這個模型有什么影響和挑戰

環形蟲洞和時間機器的可能性既令人興奮又令人困擾。一方面，它為探索其他宇宙或時間，以及在極端條件下測試基本物理學提供了新的可能性。另一方面，它也給我們對因果關系和自由意志的概念帶來了嚴重的悖論和不一致性。例如，如果你試圖在他遇見你祖母之前殺死你祖父會怎么樣？或者如果你試圖阻止自己進入蟲洞怎么樣？

這些悖論不是特定于環形蟲洞，而是涉及到任何包含閉合類時曲線的時間旅行模型。一些物理學家提出了各種方法來解決或避免這些悖論，比如 Novikov 自洽原理、量子力學中的多世界解釋或歷史保護猜想。然而，這些提議都沒有得到普遍接受或證明。

這個模型面臨的另一個挑戰是，它依賴于一些假設和近似，可能在現實中不成立。例如，它假設環形蟲洞是與任何外部影響隔離的，比如輻射或擾動。它還假設蟲洞是無限薄的，并且引力場是弱的。這些假設可能對于現實的蟲洞或源不成立。此外，還不清楚如何在自然界中創建或找到這樣一個環形蟲洞，或者如何操縱它來達到所需的時間旅行效果。

因此，雖然這個模型在數學上是一致和有趣的，但它遠非是建造一個時間機器的實用或現實的方法。它更像是一個理論練習，展示了蟲洞物理學和時間旅行的一些可能性和挑戰。