虫洞理论 虫洞理论：《星际穿越》真正的科学养分

在克里斯托弗·诺兰签约执导电影《星际穿越》并开始重写剧本之前，天体物理学家基普·索恩已经与诺兰的弟弟乔纳森讨论过如何将他的黑洞理论搬上银幕。为了保证“黑洞”描述的准确性和美观性，从未真正理解过代数的诺兰不得不认真考虑索恩毕生的研究。

作为《星际穿越》的理论来源，索恩的《黑洞与时间弯曲》在描述黑洞与时间的关系上给予了有力的支持。但索恩也认为，所有进入黑洞的物体都会被强大的潮汐引力撕成碎片，作为一种时间旅行的手段空是不可逾越的障碍。所以建议把背景小说和改编剧本中的“黑洞”改成“虫洞”。

虫洞理论:也许不是“废话”

从爱因斯坦的广义相对论中推导出的时间旅行的可能性空似乎已经被大多数人所认识——这在很大程度上是由于卡尔·萨根的科幻作品的传播效应，但实际上对其具体细节的理解相当模糊和暧昧。

1976年，英国培根基金会悬赏300英镑，要求解答一个相关问题:“根据目前的理论，旋转黑洞是其他时间空区域的真正入口，那么飞机如何通过旋转黑洞进入另一个时间空区域而不被奇点的引力破坏呢？”

当然，这个问题一直没有得到满意的解决。萨根不是相对论专家，对于利用黑洞作为时间空旅行手段的技术细节也没有把握。为了找到科学依据，他求助于著名物理学家基普·索恩。

虽然之前有一些科学家，比如哥德尔，从爱因斯坦的场方程中得到了允许时间空旅行的解，但是更多的物理学家把时间空旅行当成科幻小说中的热门情节——它几乎被归类为UFO，你可以饶有兴趣地阅读它，但是如果把它带入物理中去讨论，无异于冒学术风险——更保守的物理学家干脆。

所以，当索恩欣然接受萨根的请求时，他确实需要一些勇气才能独立。索恩和他的学生得出结论，所有进入黑洞的物体都会被强大的潮汐引力撕成碎片，这是作为时间空旅行手段的不可逾越的障碍，并建议萨根在小说中将黑洞改名为“虫洞”。

“虫洞”的本质很早就被发现了:1916年，爱因斯坦的广义相对论发表后的几个月，史瓦西在爱因斯坦的引力场方程中找到了一个解——著名的史瓦西解。同年，在重新解释了它的数学推导过程后，Flam揭示了它的虫洞本质——它实际上描述了一个空的球形虫洞。1935年，爱因斯坦和他的学术助手罗森称连接宇宙中两个遥远区域的假想通道为“桥”——后来这被称为爱因斯坦-罗森桥，实际上是一个“虫洞”。

在萨根的小说中，地球距离织女星26光年，但如果用虫洞连接起来，可能只有1公里远。但是，把虫洞当成时间机器也面临着一个棘手的问题:根据爱因斯坦场方程的预测，虫洞在某个时刻产生，短暂地打开，然后关闭，消失——从产生到消失，时间很短，在这么短的时间内，没有任何东西可以从一个洞穿过它到另一个洞。

除了无法从自然界推导出虫洞的形成模式外，黑洞也被证明是恒星坍缩的结果，这也是物理学家长期以来对虫洞持怀疑态度的另一个主要原因。索恩最后假设“负能量密度”的奇怪物体是保持虫洞持续打开的物质条件，并设定了高级智慧生物无限高级文明背景下的实现条件。换句话说，索恩在这个问题上主要考虑的是数学上的自洽性，而不是现实的可能性。

索恩以论文的形式在顶级物理杂志《物理评论》上发表了这一系列与时间空旅行相关的研究成果。这类杂志每年都会收到大量声称创造时间机器的文章，但没有一篇被接受出版，因为它们不是基于爱因斯坦场方程的严格推导过程，索恩的这些论文很好地满足了这个条件。

所以，即使是像《虫洞、时光机、弱能条件》这样的论文，虽然文章的摘要让人觉得充满科幻气息:“本文讨论的是，如果物理定律允许一个高级文明智能生物在空中创造并维持一个虫洞，那么这个虫洞就会被改造成一个违反星际航行因果律的时光机。”标题中也直接有“时间机器”但最终还是被接受并发表了——在此之前，为了避免引起关注而被冠以“科幻物理学家”的称号，科学家们在参与空旅行的讨论时，通常将“时间机器”描述为“类时间闭合曲线”。

对于那些对研究时间空旅行感兴趣的物理学家来说，索恩在时间空旅行研究方面的进展无疑是令人鼓舞的，后来也有人开始参与其中，包括俄罗斯物理学家诺维科夫、普林斯顿大学的理查德·戈特和斯蒂芬·霍金。但值得一提的是，和往常一样，很多物理学家仍然拒绝讨论任何与时间空旅行有关的问题。

但萨根并没有料到，他最初的问题会在科学领域打开这样一个局面，从而在物理学领域引起新的关注。其中，对保持虫洞开放的奇异物质的研究甚至成为该领域的重要课题。

科学家认为，“反物质”与产生能量的“正物质”相比，具有“负质量”，可以吸收周围所有的能量。像“虫洞”一样，“负质量”一度被认为只存在于理论中。但是，世界上很多实验室已经成功证明了“负质量”在现实世界中是可以存在的，并且在Tai 空中有少量的“负质量”被航天器捕获。

根据华盛顿大学物理系研究人员的计算，“负质量”可以用来控制“虫洞”。他们指出，“负质量”可以放大原本很小的“虫洞”，使其足以让飞船通过。他们的研究成果引起了各国航天部门的极大兴趣，许多国家都在考虑资助虫洞的研究，希望虫洞能在泰空的航行中得到实际应用。

宇航员认为，虽然对虫洞的研究刚刚开始，但它的潜在回报不容忽视。科学家认为，如果研究成功，人类可能需要重新估计自己在宇宙中的角色和位置。现在人类被困在地球上，要航行几百年才能到达最近的星系，这是目前人类不可能做到的。但如果泰空未来的航行使用“虫洞”，在那一刻就可以到达宇宙中遥远的地方。

穿越虫洞:开启“时间空旅行”之门

据科学家观察，宇宙中有数百万个“虫洞”，但很少有直径超过10万公里的，而这个宽度是Tai 空号飞船安全航行的最低要求。“负质量”的发现为使用“虫洞”创造了新的机会，可以用来扩大和稳定小虫洞。科学家已经指出，如果把“负质量”传入“虫洞”，打开“虫洞”，加强其结构使其稳定，飞船Tai 空就可以通过。

科幻花园的主题虫洞，今天已经跳出纸面，成为天文学家搜索的目标。虫洞为什么这么吸引人？因为它为星际航行提供了捷径。比如从地球飞到最近的邻居比邻星半人马座，需要4光年的路程，但是通过虫洞只需要几个小时。

事实上，在广义相对论发表后不久，科学家们就在理论上发现了虫洞的存在，但从那以后，对虫洞的研究进展缓慢，它的许多性质仍然非常模糊。比如只能让光线通过？或者也能让飞船通过？

直到1988年，加州理工学院的索恩等人对虫洞进行了深入研究，才确定虫洞两端都可以进入，并不是黑洞般的“单行道”。此外，旅行者在洞穴中只受到一般加速度的作用。不像在黑洞里，如果你的脚指向黑洞中心，巨大的引力场会在头和脚之间产生很大的张力差，可以把头撕开。

索恩还提出了构造虫洞的概念，当然是理论上的。他说这涉及到挖坑，扭曲宏观空。生活在两个维度之间的聪明蚂蚁想要从纸上的一个点走到另一个点。按照惯例，只有一条路，就是沿着连接两点的直线走，这也是两点之间最短的距离。不过还有一种走的距离比较短的方法:把纸折成两面，让两点互相靠近，然后用纸管把两点连起来，让蚂蚁通过纸管到达另一点。为此，蚂蚁必须在纸上挖两个洞。

在这种情况下，纸管非常类似于通过强度较高空之间的虫洞。所以，想要建造虫洞，就必须撕空。空空之间的空格不是吗？怎么撕挖坑？很难想象。但是相对论早就告诉我们引力可以在空之间弯曲。索恩说在空之间的空隙处，空会有一个陡峭的状态，就像黑洞中心那样。但他承认，由于没有成熟的量子引力理论，很难深入探讨这个问题。

根据理论，虫洞中的空扭曲的如此不自然，以至于无法保持开启，即使可以开启，也只是一瞬间。但是，虫洞可以让奇怪的物质通过。为什么奇怪的物质会得到这种优待？这得从相对论说起。

爱因斯坦认为引力来自物质的两种完全不同的性质。一个是众所周知的，质量密度越大，引力场越强。因为物质的质量相当于能量，可以说能量密度对引力有贡献；另一个是物质对周围环境施加的压力，就像气体对容器壁施加的压力一样，但这个压力原则上可以是正的，也可以是负的。与物质所包含的能量相比，这个压力可以忽略不计。

但索恩说，有一种物质的负压很大，奇怪的物质显然具有这种特性，它的负压大到超过了它的能量密度。所以奇怪物质周围的空被扭曲的非常奇怪。与一般物质的扭曲相比，它只是改变了空之间扭曲的“符号”。具体来说，它的引力是排斥的。

现代宇宙学的理论认为，宇宙在产生后立即推动其迅速膨胀的力量是具有巨大负压的“奇异”真理空的排斥引力。宇宙膨胀可能会提供一种保持虫洞开放的方法。一些物理学家认为，膨胀可能会造成一个“宇宙绳”环，当量子虫洞和宇宙绳环同时膨胀时，可能会出现宏观开口的虫洞。此外，他们还认为，先进文明创造的人工虫洞可能利用外来物质的“柱子”来保持虫洞的开放。所以索恩的虫洞可以说是一个奇怪的物质虫洞。

科学家迈克尔斯也提出了磁虫洞理论。他说极强的磁场会弯曲空形成虫洞。根据相对论，任何有能量的东西都可以在空之间弯曲。早在20世纪20年代，意大利理论家赖特在爱因斯坦方程中发现了磁引力。莱特理论认为，在螺线管产生的磁场中，螺线管内形成引力磁场，但要获得这种人工引力场，磁场需要很大。

按照迈克尔斯的说法，莱特的磁引力和索恩的虫洞很像。迈克尔斯说:“他的理论的实际意义是一个磁性虫洞。”他说如果在实验室使用2.5T的磁场，可以构建一个磁性虫洞，虫洞的半径非常大，大约150光年。如果要把虫洞半径压缩到实验室规模，施加的磁场需要大到10亿t，这显然超过了人类目前的科技能力。但是Michaels说这种磁虫洞会在天上空发现，因为中子星表面磁场达到10亿t，磁虫洞会在那里自发出现。

磁性虫洞有优势。按照迈克尔斯的说法，更容易测量和验证。因为磁引力也会影响光，“在引力场中，光速会变慢。如果光通过螺线管的速度低于真空中的光速，就可以证明磁虫洞的存在。无论天空中存在奇异物质虫洞还是磁性虫洞空，都可以从地球上测得它们的特征信号。如果一个虫洞口位于地球和恒星之间，虫洞的引力会导致恒星的光产生不正常的波动，使我们看到的是一个边亮中间暗的光学图像。为什么这么奇怪？这是关于负物质和引力透镜的。

根据俄罗斯科学家诺·朱可夫的理论，当一个物体进入虫洞时，它的质量在入口处明显增加，而同时在出口处失去相应的质量。即使这个物体已经通过了虫洞，它还是会留下这些痕迹:虫洞的一边会保持其获得的质量，而另一边最终会呈现负质量。负物质有明显的特征，因为它只有排斥吸引，所以它能把周围的任何物质扫出去，对光的运动造成极大的扭曲。

普通物质，如果它正好经过地球和某颗恒星之间，它的引力会把这颗恒星发射到地球的星光弯曲放大，很像聚光镜的行为。天文学上称为“引力透镜”效应。具体来说，我们会看到这颗恒星的星光比平时亮得多。

如果这个穿过地球恒星的天体是由负物质构成的呢？它也会弯曲星光，但是因为它的排斥吸引，弯曲星光的情况就很不一样了。当星光经过它的时候，会出现所谓的焦散现象，即星光从镜头的轴上被推出，向两边聚焦。

这意味着当一个负物质天体在地球和某一颗恒星之间运动时，我们会看到这颗恒星并不是像往常一样是一个光点，而是两次亮度的突然亮跳。这种“双峰”亮度特征信号非常明显，为检测虫洞提供了方便的大门。

霍金:通向第四维度的虫洞无处不在

针对这个问题，霍金说:

在科学界，时间旅行一度被认为是一种谬论。以前，我经常避免谈论这个问题，因为我害怕有人给我贴上怪人的标签。但是现在，我不会这么谨慎了。其实我更像那些建造巨石阵的人。我迷恋时间很久了。如果我有一台时间机器，我会去拜访全盛时期的玛丽莲·梦露，或者伽利略，他把望远镜对准了宇宙。也许，我会走到宇宙的尽头，解开整个宇宙湮灭的谜团。

为了把这一切从幻觉变成现实，我们应该从物理学家的角度重新审视时间——第四维度。这个问题没有听起来那么晦涩难懂。每个好学的孩子都知道，所有的物体都是三维存在的，包括坐在轮椅上的我。所有的物体都有宽度、高度和长度。另外，还有一个长度——时间的长度。比如一个人虽然可能活到80岁，但巨石阵之石却屹立千年。太阳系将运行数十亿年。

所有对象的时间和长度都在空之间。时间旅行意味着我们必须穿过第四维度。要理解这一点，我们可以想象我们在从事一项日常活动，比如开车。直线行驶就是一维行驶。左转还是右转，是二维的旅行。在山路上下行驶就是增加高度，所以在立体空房间。那么如何才能实现时间旅行呢？怎么才能找到穿越四维的通道？

暂且从科幻电影中寻找答案吧。在这类电影中，通常会有一个巨大的高能耗的时间机器，产生一个通向第四维度的通道——“只是拜访”。时间旅行者——勇敢但也许鲁莽的人，做好我们都知道的准备，然后走进他们想去的地方。这个概念可能有些牵强，事实可能与此大相径庭，但想法本身并没有那么疯狂。

物理学家也在考虑只是参观，但我们的视角不同。我们想搞清楚过去或未来的流逝是否存在于自然规律之中。事实证明，我们认为这是真的。而且，我们给了他们一个名字:虫洞。事实上，虫洞无处不在，只是因为它们太小，我们看不见。虫洞很小，存在于时间的庇护和缝隙空。你可能会觉得这是一个不可理解的概念。请耐心等待，让我继续解释。

无论是平的，无瑕的，坚实的。仔细观察就会发现上面有洞有裂缝。这是一个基本的物理原理，也适用于时间。甚至台球之类的东西也有裂缝、褶皱或者空洞。现在很容易解释这种情况在前三个维度也存在。相信我，这个原理也适用于第四维。时间上有很多细小的裂缝、褶皱、空洞。在最小的尺度上——比分子甚至原子都小，我们来到了一个叫做量子泡沫的地方，那里有虫洞。

空中的微小隧道或捷径在这个量子世界中不断形成、消失、再形成。它们可以连接两个隔离的空房间和两个不同的时间。不幸的是，现实生活中的只是拜访非常狭窄，即使我们找到了他们，也无法穿过这个缝隙——但这就是“虫洞时光机”概念的方向。一些科学家认为，也许有一天我们会抓住一个虫洞，把它放大几万亿倍，让它大到足够人类甚至宇宙飞船进入。

如果我们有足够的能量和先进的技术，将来也许可以在Tai 空建造一个巨大的虫洞。我不是说可以，但是如果有这样的装置，真的很神奇。一端靠近地球，另一端靠近遥远的星球。理论上来说，虫洞或者只是参观，并不能只带我们去别的星球。如果两端在同一个地方，用时间而不是距离隔开，在遥远的过去，飞船可以自由进出地球附近。也许恐龙会看到飞船着陆。

参考《黑洞与时间弯曲》《科学的扭曲》。赛先生的微信公众平台也对此文有所贡献。