| 《星際穿越》蟲洞是真的嗎 |
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唐云江
新聞背景
著名導(dǎo)演克里斯托弗·諾蘭執(zhí)導(dǎo)的又一部科幻大片《星際穿越》，今天在全國上映。影片描繪了這樣的情景：氣候變化使地球面臨巨大危機，人類很可能就此滅絕，僅剩的幾位科學(xué)家和宇航員必須利用他們對“蟲洞”的新發(fā)現(xiàn)，進(jìn)行超越時空界限的星際穿越，找到宇宙中其他適合人類居住的星球，從而拯救人類。
薩根科幻小說帶火了蟲洞
按照一般常識（經(jīng)典物理學(xué)），別說星際空間，就連離我們最近的恒星也有4.2光年之遙。要想去到那里，就算乘坐接近光速的火箭（光速不可超越）也要至少4.2年，別說去上億光年遠(yuǎn)的其他星球了。好在科學(xué)還為我們展示了其他可能進(jìn)行星際旅行的方法，《星際穿越》中的科學(xué)家們，就利用蟲洞穿行于星際空間。
蟲洞被用于幻想的時間旅行，是美國加州理工學(xué)院物理學(xué)家基普·索恩首先提出來的。1985年，天文學(xué)家卡爾·薩根寫了一本科幻小說叫《接觸》（又譯為《接觸未來》），其中涉及到人類通過黑洞（也是一種由廣義相對論推論出的時空結(jié)構(gòu)）與外星球文明進(jìn)行超時空接觸，對書中涉及到的物理原理是否正確他沒有把握，就請好友索恩幫忙看看。索恩是研究相對論的專家，他被小說的情節(jié)所吸引，不過他認(rèn)為利用黑洞進(jìn)行時間旅行是不合理的。這時他想到了蟲洞，建議薩根把黑洞改為蟲洞。
蟲洞是一種超空間結(jié)構(gòu)，是宇宙中相距遙遠(yuǎn)的兩點間的一條假想的捷徑。1個蟲洞有兩個洞口，比如一個在地球附近，另一個在26光年遠(yuǎn)的織女星附近，這個蟲洞可能只有1公里長。假如我們從地球附近的洞口進(jìn)入這個“隧道”，只經(jīng)過1公里，瞬間就能從另一個洞口出來到達(dá)織女星近旁。
卡爾·薩根愉快地接受了索恩的建議，讓阿洛維（小說中的人物）通過蟲洞在地球和織女星之間往返，蟲洞從此頻頻出現(xiàn)在科幻作品中。正是因為薩根的請教，索恩開始正式把蟲洞作為研究對象，他要解決蟲洞在什么情況下能夠打開（換句話說，怎樣才可以作為時間旅行的工具）。1988年，索恩和他的學(xué)生莫里斯在《美國物理學(xué)雜志》上發(fā)表了他們的研究結(jié)果，從理論上證明有可能存在著“可以被穿行的蟲洞”；打開蟲洞需要有一種“具有負(fù)能量的奇異物”；同時還論證了借助這種蟲洞實現(xiàn)回到過去的時間旅行的可能性。從此之后，時間旅行不再只是幻想，而成為科學(xué)研究的對象。
蟲洞是廣義相對論方程的一個解
蟲洞看上去很玄，其實本身并不是科學(xué)幻想的結(jié)果，它是通過科學(xué)理論的計算得出的結(jié)論。
愛因斯坦1916年創(chuàng)建了廣義相對論，從引力場方程的解中就可以發(fā)現(xiàn)蟲洞這種特殊的時空結(jié)構(gòu)。廣義相對論的引力場方程是一個張量方程，把空間的能量和質(zhì)量分步代入方程就可解出空間的結(jié)構(gòu)和特性。
在廣義相對論看來，時空因質(zhì)量（物質(zhì)）或能量的存在而變得彎曲，質(zhì)量越大，彎曲得就越厲害，因而在一些地方會出現(xiàn)所謂的“奇點”。在奇點的地方就可能生成黑洞、白洞或者蟲洞，蟲洞是一種時空隧道，可以把空間中的兩點之間連接起來。比如蟲洞可以把黑洞和白洞連接起來，也可以把不同的宇宙連接起來。愛因斯坦和他的合作者納森·羅森在1935年從理論上論證了蟲洞的存在，他們當(dāng)時把這種理論上有可能存在的天體，比喻為連接時空兩點之間的“橋梁”（稱為愛因斯坦－羅森橋）。
到20世紀(jì)50年代，約翰·惠勒和他的小組用不同的數(shù)學(xué)方法對此進(jìn)行了廣泛的研究，他把這種特殊的空間隧道形象地稱為“蟲洞”。我們經(jīng)?？梢钥吹竭@樣的比喻，如果把三維空間比作一個二維的蘋果的表面，從蘋果的一側(cè)走到另外一側(cè)需要繞過半個蘋果的周長；但假如有一只蟲子在這個蘋果上咬個洞，它就可以通過更短的路徑到達(dá)蘋果的另一側(cè)。這個空間兩點間的捷徑，就是蟲洞。
找到奇異物質(zhì)才能“芝麻開門”
早期的研究表明，雖然理論上來看蟲洞是可以存在的，也能作為便捷的空間通道，但是一般的蟲洞存在時間極短，瞬間打開并隨時關(guān)閉，不可能作為超時空旅行的通道。索恩建議薩根使用蟲洞作為空間旅行的方案之后，對蟲洞理論又進(jìn)行了詳細(xì)的研究。他想知道在什么情況下蟲洞才能打開，并能長時間存在，大概也是想為薩根的科學(xué)幻想找到理論根據(jù)，否則的話在科學(xué)上就是站不住腳的。
理論根據(jù)當(dāng)然還是愛因斯坦的引力場方程，如果假設(shè)要蟲洞能夠長時間打開，從方程的解反推回去，就必須有一種具有負(fù)能量的奇異物。只要有足夠多的這樣的物質(zhì)，打開蟲洞在理論上就沒有問題。所以索恩建議薩根在小說中使用蟲洞的概念時，還要假設(shè)有人能夠找到這種奇異的物質(zhì)。如不這樣，有可能存在的蟲洞是“無法穿過”的。理論計算表明，那種蟲洞會瞬時坍縮而變形為黑洞。黑洞與蟲洞不同，一旦進(jìn)入其中就再也無法從里面出來。
奇異物質(zhì)是一種非常奇特的物質(zhì)，它具有負(fù)能量，能夠起到反抗引力向外撐大空間的作用（斥力）。不過，我們現(xiàn)在既不知道宇宙中是否真的存在著這種奇異的物質(zhì)，也不知道是否有可能人工制造出足夠數(shù)量的這種物質(zhì)來維持一條蟲洞使之不至坍縮。
索恩博士提出，最有可能存在蟲洞的地方，應(yīng)該是在比原子核尺度還要小得多的微觀世界。他認(rèn)為，在這樣的微觀世界，因為量子漲落，應(yīng)該會有大小為10－35米的蟲洞在極短的時間里不斷地生成和消失。這是將量子力學(xué)與廣義相對論結(jié)合起來用于微觀世界而導(dǎo)出的一個結(jié)論。另外，用經(jīng)典的方法也可以產(chǎn)生蟲洞，就是要設(shè)法使空間極度扭曲。
索恩博士設(shè)想，如果有一種科學(xué)技術(shù)遠(yuǎn)比我們的文明發(fā)達(dá)得多的文明能夠用某種方法將一條微觀蟲洞擴(kuò)大到人體的大小，并將奇異物質(zhì)注入其中維持它不坍縮的話，那么，這種蟲洞也許就有可能讓物體從中穿過。
延伸閱讀
時間旅行能“穿越”到過去？
如果真的能夠制造出蟲洞，索恩認(rèn)為，不但可以用它作為超時空的通道，穿過它可以到達(dá)遙遠(yuǎn)的星際空間，還可以用來作為時間機器去實現(xiàn)人們幻想的時間旅行。這也是索恩備受爭議的一個觀點。
他假定在地球的近旁有一個蟲洞的兩個出入口A和B。設(shè)法以接近光速的速度（亞光速）將出入口A移動到遠(yuǎn)處，再使它回到地球近旁。根據(jù)相對論，以亞光速運動一個來回，同靜止?fàn)顟B(tài)相比，時間流動變慢了。所以，回到地球近旁的出入口A的時刻要早于出入口B和地球的時刻。另一方面，透過蟲洞觀察，B和A是由蟲洞連在一起的。從“內(nèi)部”看，在A來回運動期間A和B的相對速度（從一方看另一方的速度）為零（即相互靜止），根據(jù)相對論，這里沒有時間流動變慢的效應(yīng)。換句話說，粘合在A的“內(nèi)部”的B與A處在同樣的時刻，這樣從A口入從B口出就回到了過去。
不過，用這種方法最早只能回到先前制作時間機器的那個時間點，不可能回到更早的過去。當(dāng)然，如果在很早的古代就有一個超文明制造出了一個利用蟲洞的時間機器，并留存至今的話，那另當(dāng)別論。否則，我們無論如何都無法通過時間旅行回到明朝或者恐龍時代。
此外，自然界是否真的“允許”我們進(jìn)行回到過去的時間旅行呢？這也是一個問題。比如說，一個人通過時間旅行回到過去，因為某種原因殺死了自己的祖父，那么，那個人就根本不會生下來。這就是矛盾。應(yīng)該如何解決這個矛盾，物理學(xué)家中有各種各樣的觀點。索恩就多次同史蒂芬·霍金討論蟲洞和時間機器合理性問題。對于索恩的分析，霍金大部分表示贊同，但霍金認(rèn)為“自然界禁止回到過去的時間旅行”，他提出了一種“時間順序保護(hù)假說”。
索恩說：“‘時間順序保護(hù)假說’并沒有被確實證明。我想霍金博士也是同意我的這種說法的。雖然我們兩人都對實現(xiàn)回到過去的時間旅行持悲觀態(tài)度，但是我倒是希望我的看法是錯誤的?！?/p>
不過索恩強調(diào)，目前的結(jié)果并不是定論，要等新的理論——量子引力理論創(chuàng)立后才能進(jìn)行更確定的分析。
由于索恩對蟲洞和時間旅行進(jìn)行過深入的研究，因而應(yīng)邀參與了《星際穿越》劇本的創(chuàng)作，這必定會為劇情增加科學(xué)的依據(jù)。
