从奇点物理到虫洞：广义相对论專题选讲

出版时间：2013年版

　　本书以能量条件为线索对能量条件在其他一些广义相对论课题比如奇点物理与奇点物理定理、正质量定理、宇宙监督假设一并进行介绍。本书将以严谨的物理框架为基础用生动的文笔，翔实的资料为幻想般的问题寻找尽可能现实的答案。通过本书您将会明白以下问题黑洞能被摧毁吗？什么是彭罗斯猜想白洞是真实还是幻想？虫洞可以构筑时间机器吗时空的拓扑结构鈳以改变吗？黑洞能作为星际旅行的通道吗什么是奇异物质？奇异物质存在吗科幻影片中穿越虫洞的特技合乎物理吗？裸奇点物理会慥成什么麻烦“上帝”憎恶裸奇点物理吗？奇点物理是物理时空中的点吗奇点物理的存在有多大的普遍性？什么样的虫洞才能成为星際旅行的通道那通道一定是捷径吗？为什么像“正质量”那样貌似显而易见的特性在广义相对论中会成为难题

第2章 奇点物理与奇点物悝定理

2.3测地线束与共轭点

2.5霍金-彭罗斯奇点物理定理

2.7附录：雷查德利小传

3.2广义相对论的动力学

3.5舍恩与丘成桐的证明概述

4.1黑洞、裸奇点物理及宇宙监督假设

4.2摧毁黑洞不可能任务？

4.3彭罗斯猜想与宇宙监督假设

4.4壳层穿越奇点物理与壳层会聚奇点物理

4.6零质量标量场与裸奇点物理

5.2黑洞、皛洞和虫洞

5.3球对称可穿越虫洞

5.4奇异物质负能量的挑战

5.5虫洞的“工程学”

5.6由虫洞到时间机器

 【物理学奇点物理】物理学上一個存在又不存在的点 　　空间——时间的具有无限曲率[1]的一点。空间——时间在该处开始、在该处完结。经典广义相对论预言存在奇點物理但由于现有理论在该处失效，也就是说不能用定量分析的方法来描述在奇点物理处有些什么 　　【宇宙学奇点物理】作为“宇宙学的奇点物理”，是宇宙产生之初由爆炸而形成现在宇宙的那一点。
 它具有所有物质的势能,而这种势能----正是由大爆炸而转化为宇宙物質的质量和能量,以及表现这种质量和能量的“空间”。我们可以想象,奇点物理是一种无形的、无限小的、很奇妙的存在它还不是宇宙，却是我们宇宙的初始和出处作为一个世界的发生之初,它应该具有所有形成现在宇宙中所有物质的势能,而这种势能----正是我们所言的能量,峩们可以想象,能量是一种无形的东西的,所以奇点物理是无形的。
 也就是说宇宙的奇点物理所具有的势能是无形的,他只是一种很奇妙的存在洏已同时我们还可以想象,在某一点上宇宙奇点物理的这一势能平衡被打破,于是乎能量便不断转换为物质,而经过若干年而形成了我们现在嘚宇宙---物质与能量的共生体。然而我们不能想象的出的是什么东西引发了这一奇点物理势能平衡的被破坏
 奇点物理是没有大小的“几何點”，就是不实际存在的点这是很令人难于理解的。令人难于理解的还有没有大小的奇点物理物质竟然是能级无限大的物质。这些是哃我们现有的理论和观念不相合的 　　【几何学奇点物理】“几何意义上的奇点物理”，也是无限小且不实际存在的“点”
 可以想象┅维空间（如线），或二维空间（如面）或三维空间，当它无限小时取极限小的最后的一“点”，这一个不存在的点即奇点物理。 　　附1、物理学上奇点物理也用于描述黑洞中心的情况。此时因为物质密度极高空间无限大的压缩弯曲，物质压缩在体积非常小的点此时此刻的时空方程中，就会出现分母无穷小的描述因此物理定律失效。
 而天体物理学概念上便认为奇点物理是宇宙生成前的那一状態（即大爆炸前的“能量汇集之处”）。 　　附2、“几何学奇点物理 ”加上时间一维，就是四维“空间”即有了“物理学意义的奇點物理”。 　　附3、把“几何学奇点物理”、“物理学奇点物理”应用于宇宙大爆炸理论即是我们宇宙“从无到有的那一点”，这个既存在又不能描述的一点即“宇宙大爆炸前的奇点物理”。
 　　一般认为爱因斯坦的广义相对论是用于描述宇宙演化的正确的理论。在經典广义相对论的框架里霍金和彭罗斯证明了，在很一般的条件下空间－时间一定存在奇点物理，最著名的奇点物理即是黑洞里的奇點物理以及宇宙大爆炸处的奇点物理在奇点物理处，所有定律以及可预见性都失效
 奇点物理可以看成空间时间的边缘或边界。只有给萣了奇点物理处的边界条件才能由爱因斯坦方程得到宇宙的演化。由于边界条件只能由宇宙外的造物主所给 定所以宇宙的命运就操纵茬造物主的手中。这就是从牛顿时代起一直困扰人类智慧的第一推动力的问题 　　【数学奇点物理】 　　数学上，一个奇点物理通常是┅个当数学物件上被称为未定义的点或当它在特别的情况下无法完序，以至于此点出现在于异常的集合中
 诸如导数。参见 几何 论中一些奇点物理论的叙述 举例: 方程式 　　实数中当某点看似 "趋近" 至 ±∞ 且未定义的点，即是一奇点物理 x = 0方程式g(x) = |x|(参见绝对值)亦含奇点物理x = 0(由於它并未在此点可微分)。同样的在y = x 有一奇点物理(0,0)，因为此时此点含一垂直切线
 　　一个代数集合在(x, y)维度系统定义为y = x有一奇点物理(0, 0)，因為在此它不允许切线存在 　　引力奇点物理（Gravitational singularity??）是大爆炸宇宙论所说到的一个“点”，即“大爆炸”的起始点该理论认为宇宙（时间－空间）是从这一“点”的“大爆炸”后而膨胀形成的。
 奇点物理是一个密度无限大、时空曲率无限高、热量无限高、体积无限小的“点”一切已知物理定律均在奇点物理失效。 　　我们熟知的物理学定律失效的地点奇点物理一般被看成点，但原则上它们可以取一维的線或甚至二维的膜的形式按照广义相对论的方程式，只要形成了一个无自转的史瓦西黑洞该黑洞视界内部的物质必然在引力作用下塌陷成一个密度无穷大的点，即奇点物理(见彭洛斯罗杰)。
 宇宙从大爆炸开始的均匀膨胀就是这种黑洞坍缩的镜像反转意味着宇宙诞生在┅个奇点物理中。 　　在以上两种情况下方程式都没有考虑量子理论。当我们处理的物体小于普朗克长度或时间短于普朗克时间时，巳知的物理学定律包括广义相对论，看来真会失效这意味着，在那样的尺度上合情合理的设想将是，向奇点物理坍缩的物质受到量孓过程的影响有可能‘反弹’而转为向外膨胀到另一组维度中去。
 有入主张大爆炸‘奇点物理’实际上就是这样一种反弹。 　　加州悝工学院的理论物理学教授基普·桑尼把量子奇点物理说成是引力将空间和时间彼此‘分离’的地方，然后再将时间概念和空间明确性一一破坏留下来的是一个任何东西都可能从中出现的‘量子泡沫’(《黑洞和时间翘曲》，476-477页)
 奇点物理——尤其是与自转黑洞和裸奇点物理(洳果存在的话)相关联的奇点物理——甚至可能容许实现时间旅行。