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  • 虫孔

    虫孔(WORM HOLE),指一个隧道般的黑洞。它可以成为通往宇宙中另一个地方或另一个宇宙的捷径。

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    新的研究/虫孔 编辑

    负质量

    中央为负质量“虫孔” 的宇宙模型图
      随着科学技术的发展,新的研究发现,“虫孔”的超强力场可以通过“负质量”来中和,达到稳定“虫孔”能量场的作用。科学家认为,相对于产生能量的“正物质”,“反物质”也拥有“负质量”,可以吸去周围所有能量。像“虫孔”一样,“负质量”也曾被认为只存在于理论之中。不过,目前世界上的许多实验室已经成功地证明了“负质量”能存在于现实世界,并且通过航天器在太空中捕捉到了微量的“负质量”。
      据美国华盛顿大学物理系研究人员的计算,“负质量”可以用来控制“虫孔”。他们指出,“负质量”能扩大原本细小的“虫孔”,使它们足以让太空飞船穿过。他们的研究结果引起了各国航天部门的极大兴趣,许多国家已考虑拨款资助“虫孔”研究,希望“虫孔”能实际用在太空航行上。
      宇航学家认为,“虫孔”的研究虽然刚刚起步,但是它潜在的回报,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,要航行到最近的一个星系,动辄需要数百年时间,是目前人类不可能办到的。但是,未来的太空航行如使用“虫孔”,那么一瞬间就能到达宇宙中遥远的地方。
      据科学家观测,宇宙中充斥着数以百万计的“虫孔”,但很少有直径超过10万公里的,而这个宽度正是太空飞船安全航行的最低要求。“负质量”的发现为利用“虫孔”创造了新的契机,可以使用它去扩大和稳定细小的“虫孔”。
      科学家指出,如果把“负质量”传送到“虫孔”中,把“虫孔”打开,并强化它的结构,使其稳定,就可以使太空飞船通过。

    概念产生

      虫孔的概念最初产生于对史瓦西解的研究中。物理学家在分析白洞解的时候,通过一个阿尔伯特·爱因斯坦的思想实验,发现宇宙时空自身可以不是平坦的。如果恒星形成了黑洞,那么时空在史瓦西半径,也就是视界的地方与原来的时空垂直。在不平坦的宇宙时空中,这种结构就意味着黑洞视界内的部分会与宇宙的另一个部分相结合,然后在那里产生一个洞。这个洞可以是黑洞,也可以是白洞。而这个弯曲的视界,就叫做史瓦西喉,它就是一种特定的虫孔。
      自从在史瓦西解中发现了虫孔,物理学家们就开始对虫孔的性质发生了兴趣。

    黑洞和白洞

      虫孔连接黑洞和白洞,在黑洞与白洞之间传送物质。在这里,虫孔成为一个阿尔伯特·爱因斯坦—罗森桥,物质在黑洞的奇点处被完全瓦解为基本粒子,然后通过这个虫孔(即阿尔伯特·爱因斯坦—罗森桥)被传送到白洞并且被辐射出去。

    时空管道

      虫孔还可以在宇宙的正常时空中显现,成为一个突然出现的超时空管道。
      虫孔没有视界,它只有一个和外界的分界面,虫孔通过这个分界面进行超时空连接。虫孔与黑洞、白洞的接口是一个时空管道和两个时空闭合区的连接,在这里时空曲率并不是无限大,因而我们可以安全地通过虫孔,而不被巨大的引力摧毁。理论推出的虫孔还有许多特性,限于篇幅,这里不再赘述。

    未解之谜

      黑洞、白洞、虫孔仍然是目前宇宙学中“时空与引力篇章”的悬而未解之谜。黑洞是否真实存在,科学家们也只是得到了一些间接的旁证。当前的观测及理论也给天文学和物理学提出了许多新问题,例如,一颗能形成黑洞的冷恒星,当它坍缩时,其密度已然会超过原子核、核子、中子……,如果再继续坍缩下去,中子也可能被压碎。那么,黑洞中的物质基元究竟是什么呢?有什么斥力与引力对抗才使黑洞停留在某一阶段而不再继续坍缩呢?如果没有斥力,那么黑洞将无限地坍缩下去,直到体积无穷小,密度无穷大,内部压力也无穷大,而这却是物理学理论所不允许的。
      总之,目前我们对黑洞、白洞和虫孔的本质了解还很少,它们还是神秘的东西,很多问题仍需要进一步探讨。目前天文学家已经间接地找到了黑洞,但白洞、虫孔并未真正发现,还只是一个经常出现在科幻作品中的理论名词。

    宇宙项

      虫孔也是霍金构想的宇宙期存在的一种极细微的洞穴。美国科学家对此做了深入的研究。目前的宇宙中,“宇宙项”几乎为零。所谓的宇宙项也称为“真空的能量”,在没有物质的空间中,能量也同样存在其内部,这是由爱因斯坦所导入的。宇宙初期的膨胀宇宙,宇宙项是必须的,而且,在基本粒子论里,也认为真空中的能量是自然呈现的。那么,为何目前宇宙的宇宙项变为零呢?柯尔曼说明:在爆炸以前的初期宇宙中,虫孔连接着很多的宇宙,很巧妙地将宇宙项的大小调整为零。结果,由一个宇宙可能产生另一个宇宙,而且,宇宙中也有可能有无数个这种微细的洞穴,它们可通往一个宇宙的过去及未来,或其他的宇宙。
      旋转的或带有电荷的黑洞内部连接一个相应的白洞,你可以跳进黑洞而从白洞中跳出来。这样的黑洞和白洞的组合叫做虫孔。

    假设

      最后,即使虫孔存在并且是稳定的,穿过它们也是十分不愉快的。贯穿虫孔的辐射(来自附近的恒星,宇宙的微波背景等等)将蓝移到非常高的频率。当你试着穿越虫孔时,你将被这些X射线和伽玛射线烤焦。虫孔的出现,几乎可以说是和黑洞同时的。
      物理学家一直认为,虫孔的引力过大,会毁灭所有进入它的东西,因此不可能用在宇宙旅行之上 。但是,假设宇宙中有虫孔这种物质存在,那么就可以有一种说法:如果你于12:00站在虫孔的一端(入口),那你就会于12:00从虫孔的另一端(出口)出来。
      黑洞和黑洞之间也可以通过虫孔连接,当然,这种连接无论是如何的将强,它还是仅仅是一个连通的“宇宙监狱”。
      虫孔(Wormhole),又称爱因斯坦-罗森桥,是宇宙中可能存在的连接两个不同时空的狭窄隧道。

    关于虫孔的理论/虫孔 编辑

    虫孔的几种说法

      一是空间的隧道,就像一个球,你要沿球面走就远了但如果你走的是球里的一条直径就近了,虫孔就是直径。
      二是黑洞与白洞的联系。黑洞可以产生一个势阱,白洞则可以产生一个反势阱。宇宙是三维的,将势阱看作第四维,那么虫孔就是连接势阱和反势阱的第五维。假如画出宇宙、势阱、反势阱和虫孔的图像,它就像一个克莱因瓶——瓶口是黑洞,瓶身和瓶颈的交界处是白洞,瓶颈是虫孔。
      三是你说的时间隧道,根据爱因斯坦所说的你可以进行时间旅行,但你只能看,就像看电影,却无法改变发生的事情,因为时间是线行的,事件就是一个个珠子已经穿好,你无法改变珠子也无法调动顺序
      到现在为止,我们讨论的都是普通“完美”黑洞。细节上,我们讨论的黑洞都不旋转也没有电荷。如果我们考虑黑洞旋转或者同时带有电荷,事情会变的更复杂。特别的是,你有可能跳进这样的黑洞而不撞到奇点。结果是,旋转的或带有电荷的黑洞内部连接一个相应的白洞,你可以跳进黑洞而从白洞中跳出来。这样的黑洞和白洞的组合叫做虫孔。
      白洞有可能离黑洞十分远;实际上它甚至有可能在一个“不同的宇宙”--那就是,一个时空区域,除了虫孔本身,完全和我们在的区域没有连接。一个位置方便的虫孔会给我们一个方便和快捷的方法去旅行很长一段距离,甚至旅行到另一个宇宙。或许虫孔的出口停在过去,这样你可以通过它而逆着时间旅行。总的来说,它们听起来很酷。
      但在你认定那个理论正确而打算去寻找它们之前,你因该知道两件事。首先,虫孔几乎可以肯定不存在。正如我们上面我们说到白洞时,只因为它们是方程组有效的数学解并不表明它们在自然中存在。特别的,当黑洞由普通物质坍塌形成(包括我们认为存在的所有黑洞)并不会形成虫孔。如果你掉进其中的一个,你并不会从什么地方跳出来。你会撞到奇点,那是你唯一可去的地方。
      还有,即使形成了一个虫孔,它也被认为是不稳定的。即使是很小的扰动(包括你尝试穿过它的扰动)都会导致它坍塌。
      在史瓦西发现了史瓦西黑洞以后,理论物理学家们对爱因斯坦常方程的史瓦西解进行了几乎半个世纪的探索。包括上面说过的克尔解、雷斯勒——诺斯特朗姆解以及后来的纽曼解,都是围绕史瓦西的解研究出来的成果。我在这里将介绍给大家的虫孔,也是史瓦西的后代。
      虫孔在史瓦西解中第一次出现,是当物理学家们想到了白洞的时候。他们通过一个爱因斯坦的思想实验,发现时空可以不是平坦的,而是弯曲的。在这种情况下,我们会十分的发现,如果恒星形成了黑洞,那么时空在史瓦西半径,也就是视界的地方是与原来的时空完全垂直的。在不是平坦的宇宙时空中,这种结构就以为着黑洞的视界内的部分会与宇宙的另一个部分相结合,然后在那里产生一个洞。这个洞可以是黑洞,也可以是白洞。而这个弯曲的视界,叫史瓦西喉,也就是一种特定的虫孔。

    作用

      自从在史瓦西解中发现了虫孔,物理学家们就开始对虫孔的性质感到好奇。
      我们先来看一个虫孔的经典作用:连接黑洞和白洞,成为一个爱因斯坦——罗森桥,将物质在黑洞的奇点处被完全瓦解为基本粒子,然后通过这个虫孔(即爱因斯坦——罗森桥)被传送到这个白洞的所在,并且被辐射出去。
      当然,前面说的仅仅是虫孔作为一个黑洞和白洞之间传送物质的道路,但是虫孔的作用远不只如此。
      黑洞和黑洞之间也可以通过虫孔连接,当然,这种连接无论是如何的将强,它还是仅仅是一个连通的“宇宙监狱”。
      虫孔不仅可以作为一个连接洞的工具,它还在宇宙的正常时空中出现,成为一个突然出现在宇宙中的超空间管道。
      虫孔没有视界,它有的仅仅是一个和外界的分解面。虫孔通过这个分解面和超空间连接,但是在这里时空曲率不是无限大。就好比在一个在平面中一条曲线和另一条曲线相切,在虫孔的问题中,它就好比是一个四维管道和一个三维的空间相切,在这里时空曲率不是无限大。因而我们现在可以安全地通过虫孔,而不被巨大的引力所摧毁。

    虫孔的性质/虫孔 编辑

      那么虫孔都有些什么性质呢?
      利用相对论在不考虑一些量子效应和除引力以外的任何能量的时候,我们得到了一些十分简单、基本的关于虫孔的描述。这些描述十分重要,但是由于我们研究的重要是黑洞,而不是宇宙中的洞,因此我在这里只简单介绍一下虫孔的性质,而对于一些相关的理论以及这些理论的描述,这里先不涉及。

    高速火车的矛盾

      虫孔有些什么性质呢?最主要的一个,是相对论中描述的,用来作为宇宙中的高速火车。但是,虫孔的第二个重要的性质,也就是量子理论告诉我们的东西又明确的告诉我们:虫孔不可能成为一个宇宙的高速火车。虫孔的存在,依赖于一种奇异的性质和物质,而这种奇异的性质,就是负能量。只有负能量才可以维持虫孔的存在,保持虫孔与外界时空的分解面持续打开。当然,狄拉克在芬克尔斯坦参照系的基础上,发现了参照系的选择可以帮助我们更容易或者难地来分析物理问题。同样的,负能量在狄拉克的另一个参照系中,是非常容易实现的,因为能量的表现形式和观测物体的速度有关。这个结论在膜规范理论中同样起到了十分重要的作用。根据参照系的不同,负能量是十分容易实现的。在物体以近光速接近虫孔的时候,在虫孔的周围的能量自然就成为了负的。因而以接近光速的速度可以进入虫孔,而速度离光速太大,那么物体是无论如何也不可能进入虫孔的。这个也就是虫孔的特殊性质之一。
      但是虫孔并没有这么太平。前面说的是在安静的相对论中的虫孔,在暴躁的量子理论中,虫孔的性质又有了十分重要的变化。

    稳定与不稳定的矛盾

      我们先来看在黑洞中的虫孔,也就是史瓦西喉和奇点周围形成的子宇宙。
      黑洞周围的量子真空涨落在黑洞巨大引力的作用下,会被黑洞的引力能“喂”大,成为十分的能量辐射。这种能量会毫不留情地将一切形式的虫孔摧毁。
      在没有黑洞包围的虫孔中,由于同样的没有黑洞巨大引力的“喂养”,虫孔本身也不可能开启太久。虫孔有很大几率被随机打开,但是有更大的几率突然消失。虫孔打开的时间十分短,仅仅是几个普朗克时间。在如此短的“寿命”中,即使是光也不可能走完虫孔的一半旅途,而在半路由于虫孔的消失而在整个时空中消失,成为真正的四维时空组旅行者。
      而且,在没有物体通过虫孔的时候,虫孔还比较“长寿”,而一旦有物体进入了虫孔,如果这个物体是负能量的,那么还好,虫孔会被撑开;但是如果物体是正能量的,那么虫孔会在自己“自然死亡”以前就“灭亡”掉。而在宇宙中,几乎无时无刻不存在能量辐射通过宇宙的每一个角落,而这些辐射都是正能量的,因此几乎可以肯定,在自然情况下是不存在虫孔的。
      旋转的或带有电荷的黑洞内部连接一个相应的白洞,你可以跳进黑洞而从白洞中跳出来。这样的黑洞和白洞的组合叫做虫孔。
      白洞有可能离黑洞十分远;实际上它甚至有可能在一个“不同的宇宙”--那就是,一个时空区域,除了虫孔本身,完全和我们在的区域没有连接。一个位置方便的虫孔会给我们一个方便和快捷的方法去旅行很长一段距离,甚至旅行到另一个宇宙。或许虫孔的出口停在过去,这样你可以通过它而逆着时间旅行。总的来说,它们听起来很酷。
      但在你认定那个理论正确而打算去寻找它们之前,你因该知道两件事。首先,虫孔几乎可以肯定不存在。正如我们上面我们说到白洞时,只因为它们是方程组有效的数学解并不表明它们在自然中存在。特别的,当黑洞由普通物质坍塌形成(包括我们认为存在的所有黑洞)并不会形成虫孔。如果你掉进其中的一个,你并不会从什么地方跳出来。你会撞到奇点,那是你唯一可去的地方。
      还有,即使形成了一个虫孔,它也被认为是不稳定的。即使是很小的扰动(包括你尝试穿过它的扰动)都会导致它坍塌。
      最后,即使虫孔存在并且是稳定的,穿过它们也是十分不愉快的。贯穿虫孔的辐射(来自附近的恒星,宇宙的微波背景等等)将蓝移到非常高的频率。当你试着穿越虫孔时,你将被这些X射线和伽玛射线烤焦。虫孔的出现,几乎何以说是和黑洞同时的。
      物 理 学 家 一 直 认 为 , 虫 洞 的 引 力 过 大 , 会 毁 灭 所 有 进 入 它 的 东 西 , 因 此 不 可 能 用 在 宇 宙 旅 行 之 上 。
      黑洞和黑洞之间也可以通过虫孔连接,当然,这种连接无论是如何的将强,它还是仅仅是一个连通的“宇宙监狱”。
      虫孔不仅可以作为一个连接洞的工具,它还开宇宙的正常时空中出现,成为一个突然出现在宇宙中的超空间管道。
      虫孔没有视界,踏有的仅仅是一个和外界的分解面。虫孔通过这个分解面和超空间连接,但是在这里时空曲率不是无限大。就好比在一个在平面中一条曲线和另一条曲线相切,在虫孔的问题中,它就好比是一个四维管道和一个三维的空间相切,在这里时空曲率不是无限大。因而我们现在可以安全地通过虫孔,而不被巨大的引力所摧毁。
      虫孔的存在,依赖于一种奇异的性质和物质,而这种奇异的性质,就是负能量。只有负能量才可以维持虫孔的存在,保持虫孔与外界时空的分解面持续打开。
      根据参照系的不同,负能量是十分容易实现的。在物体以近光速接近虫孔的时候,在虫孔的周围的能量自然就成为了负的。因而以接近光速的速度可以进入虫孔,而速度离光速太大,那么物体是无论如何也不可能进入虫孔的。这个也就是虫孔的特殊性质之一。
      我们先来看在黑洞中的虫孔,也就是史瓦西喉和奇点周围形成的子宇宙。
      黑洞周围的量子真空涨落在黑洞巨大引力的作用下,会被黑洞的引力能“喂”大,成为十分的能量辐射。这种能量会毫不留情地将一切形式的虫孔摧毁。
      在没有黑洞包围的虫孔中,由于同样的没有黑洞巨大引力的“喂养”,虫孔本身也不可能开启太久。虫孔有很大几率被随机打开,但是有更大的几率突然消失。虫孔打开的时间十分短,仅仅是几个普朗克时间。在如此短的“寿命”中,即使是光也不可能走完虫孔的一半旅途,而在半路由于虫孔的消失而在整个时空中消失,成为真正的四维时空组旅行者。
      而且,在没有物体通过虫孔的时候,虫孔还比较“长寿”,而一旦有物体进入了虫孔,如果这个物体是负能量的,那么还好,虫孔会被撑开;但是如果物体是正能量的,那么虫孔会在自己“自然死亡”以前就“灭亡”掉。而在宇宙中,几乎无时无刻不存在能量辐射通过宇宙的每一个角落,而这些辐射都是正能量的,因此几乎可以肯定,在自然情况下是不存在虫孔的。

    自然生产机制和个人假设/虫孔 编辑

    自然产生机制

      虫孔的自然产生机制有两种:
      其一,是黑洞的强大引力能;
      其二,是克尔黑洞的快速旋转,其伦斯——梯林效应将黑洞周围的能层中的时空撕开一些小口子。这些小口子在引力能和旋转能的作用下被击穿,成为一些十分小的虫孔。这些虫孔在黑洞引力能的作用下,可以确定它们的出口在那里,但是现在还不可能完全完成,因为量子理论和相对论还没有完全结合。

    个人假设

      I、虫孔像河流,通过的物体像船,船顺河而下;
      2、虫孔体像一个圆柱形磁铁,强力的类磁力线在入口处将通过的物体分解,以波的形式在柱心管道运行,在出口处还原。通过的物体类似一个障碍,造成波的某一部分形变,然后这个形变推移到出口。
      可能还涉及到横波、纵波,波的反射、折射、衍射,物质的不均匀、空间的不规则,如同水中气泡般的宇宙空洞。

    天堂?地狱?/虫孔 编辑

      虫孔: 旅行家的天堂还是探险者的地狱?

    一. 星空,最后的前沿

      探索星空是人类一个恒久的梦想。 在晴朗的夜晚, 每当我们仰起头来, 就会看到满天的繁星。 自古以来, 星空以它无与伦比的浩瀚、 深邃、 美丽及神秘激起着人类无数的遐想。 著名的美国科幻电视连续剧《星际旅行》 (Star Trek) 中有这样一句简短却意味无穷的题记: 星空, 最后的前沿 (Space, the final frontier)[注一]。 当我第一次观看这个电视连续剧的时候, 这句用一种带有磁性的话外音念出的题记给我留下了令人神往的印象。
      在远古的时候, 人类探索星空的方式是肉眼, 后来开始用望远镜, 但人类迈向星空的第一步则是在一九五七年。 那一年, 人类发射的第一个航天器终于飞出了我们这个蓝色星球的大气层。 十二年后, 人类把足迹留在了月球上。 三年之后, 人类向外太阳系发射了先驱者十号深空探测器。 一九八三年, 先驱者十号飞离了海王星轨道, 成为人类发射的第一个飞离太阳系的航天器[注二]。
      从人类发射第一个航天器以来, 短短二十几年的时间里, 齐奥尔科夫斯基所预言的 “人类首先将小心翼翼地穿过大气层, 然后再去征服太阳周围的整个空间” 就成为了现实, 人类探索星空的步履不可谓不迅速。 但是, 相对于无尽的星空而言, 这种步履依然太过缓慢。 率先飞出太阳系的先驱者十号如今正在一片冷寂的空间中滑行着, 在满天的繁星之中, 要经过多少年它才能飞临下一颗恒星呢? 答案是两百万年! 那时它将飞临距离我们六十八光年的金牛座 (Taurus)[注三]。 六十八光年的距离相对于地球上的任何尺度来说都是极其巨大的, 但是相对于远在三万光年之外的银河系中心, 远在两百二十万光年之外的仙女座大星云, 远在六千万光年之外的室女座星系团, 以及更为遥远的其它天体来说无疑是微不足道的。 人类的好奇心是没有边界的, 可是即便人类航天器的速度再快上许多倍, 甚至接近物理速度的上限 - 光速, 用星际空间的距离来衡量依然是极其缓慢的。
      那么, 有没有什么办法可以让航天器以某种方式变相地突破速度上限, 从而能够在很短的时间内跨越那些近乎无限的遥远距离呢? 科幻小说家们率先展开了想象的翅膀。

    二. 旅行家的天堂

      一九八五年, 美国康乃尔大学 (Cornell University) 的著名行星天文学家卡尔 · 萨根 (Carl Sagan) 写了一部科幻小说, 叫做《接触》 (Contact)。 萨根对探索地球以外的智慧生物有着浓厚的兴趣, 他客串科幻小说家的目的之一是要为寻找外星智慧生物的 SETI 计划筹集资金。 他的这部小说后来被拍成了电影, 为他赢得了广泛的知名度。
      萨根在他的小说中叙述了一个动人的故事: 一位名叫艾丽 (Ellie) 的女科学家收到了一串来自外星球智慧生物的电波信号。 经过研究, 她发现这串信号包含了建造一台特殊设备的方法, 那台设备可以让人类与信号的发送者会面。 经过努力, 艾丽与同事成功地建造起了这台设备, 并通过这台设备跨越了遥远的星际空间与外星球智慧生物实现了第一次接触。
      但是, 艾丽与同事按照外星球智慧生物提供的方法建造出的设备究竟利用了什么方式让旅行者跨越遥远的星际空间的呢? 这是萨根需要大胆 “幻想” 的地方。 他最初的设想是利用黑洞。 但是萨根毕竟不是普通的科幻小说家, 他的科学背景使他希望自己的科幻小说尽可能地不与已知的物理学定律相矛盾。 于是他给自己的老朋友, 加州理工大学 (California Institute of Technology) 的索恩 (Kip S. Thorne) 教授打了一个电话。 索恩是研究引力理论的专家, 萨根请他为自己的设想做一下技术评估。 索恩经过思考及粗略的计算, 很快告诉萨根黑洞是无法作为星际旅行的工具的, 他建议萨根使用虫孔 (wormhole) 这个概念。 据我所知, 这是虫孔这一名词第一次进入科幻小说中[注四]。 在那之后, 各种科幻小说、 电影、 及电视连续剧相继采用了这一名词, 虫孔逐渐成为了科幻故事中的标准术语。 这是科幻小说家与物理学家的一次小小交流结出的果实。
      萨根与索恩的交流不仅为科幻小说带来了一个全新的术语, 也为物理学开创了一个新的研究领域。 在物理学中, 虫孔这一概念最早是由米斯纳 (C. W. Misner) 与惠勒 (J. A. Wheeler) 于一九五七年提出的, 与人类发射第一个航天器恰好是同一年。 那么究竟什么是虫孔? 它又为什么会被科幻小说家视为星际旅行的工具呢? 让我们用一个简单的例子来说明: 大家知道, 在一个苹果的表面上从一个点到另一个点需要走一条弧线, 但如果有一条蛀虫在这两个点之间蛀出了一个虫孔, 通过虫孔就可以在这两个点之间走直线, 这显然要比原先的弧线来得近。 把这个类比从二维的苹果表面推广到三维的物理空间, 就是物理学家们所说的虫孔, 而虫孔可以在两点之间形成快捷路径的特点正是科幻小说家们喜爱虫孔的原因[注五]。 只要存在合适的虫孔, 无论多么遥远的地方都有可能变得近在咫尺, 星际旅行家们将不再受制于空间距离的遥远。 在一些科幻故事中, 技术水平高度发达的文明世界利用虫孔进行星际旅行就像今天的我们利用高速公路在城镇间旅行一样。 在著名的美国科幻电影及电视连续剧《星之门》 (Stargate) 中人类利用外星文明留在地球上的一台被称为 “星之门” 的设备可以与其它许多遥远星球上的 “星之门” 建立虫孔连接, 从而能够几乎瞬时地把人和设备送到那些遥远的星球上。 虫孔成为了科幻故事中星际旅行家的天堂。
      不过米斯纳与惠勒所提出的虫孔是极其微小的, 并且在极短的时间内就会消失, 无法成为星际旅行的通道。 萨根的小说发表之后, 索恩对虫孔产生了浓厚的兴趣, 并和他的学生莫里斯 (Mike Morris) 开始对虫孔作深入的研究。 与米斯纳和惠勒不同的是, 索恩感兴趣的是可以作为星际旅行通道的虫孔, 这种虫孔被称为可穿越虫孔 (traversable wormhole)。

    三. 负能量物质

      那么什么样的虫孔能成为可穿越虫孔呢? 一个首要的条件就是它必须存在足够长的时间, 不能够没等星际旅行家穿越就先消失。 因此可穿越虫孔首先必须是足够稳定的。 一个虫孔怎样才可以稳定存在呢? 索恩和莫里斯经过研究发现了一个不太妙的结果, 那就是在虫孔中必须存在某种能量为负的奇特物质! 为什么会有这样的结论呢? 那是因为物质进入虫孔时是向内汇聚的, 而离开虫孔时则是向外飞散的, 这种由汇聚变成飞散的过程意味着在虫孔的深处存在着某种排斥作用。 由于普通物质的引力只能产生汇聚作用, 只有负能量物质才能够产生这种排斥作用。 因此, 要想让虫孔成为星际旅行的通道, 必须要有负能量的物质。 索恩和莫里斯的这一结果是人们对可穿越虫孔进行研究的起点。
      索恩和莫里斯的结果为什么不太妙呢? 因为人们在宏观世界里从未观测到任何负能量的物质。 事实上, 在物理学中人们通常把真空的能量定为零。 所谓真空就是一无所有, 而负能量意味着比一无所有的真空具有 “更少” 的物质, 这在经典物理学中是近乎于自相矛盾的说法。
      但是许多经典物理学做不到的事情在二十世纪初随着量子理论的发展却变成了可能。 负能量的存在很幸运地正是其中一个例子。 在量子理论中, 真空不再是一无所有, 它具有极为复杂的结构, 每时每刻都有大量的虚粒子对产生和湮灭。 一九四八年, 荷兰物理学家卡什米尔 (Hendrik Casimir) 研究了真空中两个平行导体板之间的这种虚粒子态, 结果发现它们比普通的真空具有更少的能量, 这表明在这两个平行导体板之间出现了负的能量密度! 在此基础上他发现在这样的一对平行导体板之间存在一种微弱的相互作用。 他的这一发现被称为卡什米尔效应。 将近半个世纪后的一九九七年, 物理学家们在实验上证实了这种微弱的相互作用, 从而间接地为负能量的存在提供了证据。 除了卡什米尔效应外, 二十世纪七八十年代以来, 物理学家在其它一些研究领域也先后发现了负能量的存在。
      因此, 种种令人兴奋的研究都表明, 宇宙中看来的确是存在负能量物质的。 但不幸的是, 迄今所知的所有这些负能量物质都是由量子效应产生的, 因而数量极其微小。 以卡什米尔效应为例, 倘若平行板的间距为一米, 它所产生的负能量的密度相当于在每十亿亿立方米的体积内才有一个 (负质量的) 基本粒子! 而且间距越大负能量的密度就越小。 其它量子效应所产生的负能量密度也大致相仿。 因此在任何宏观尺度上由量子效应产生的负能量都是微乎其微的。
      另一方面, 物理学家们对维持一个可穿越虫孔所需要的负能量物质的数量也做了估算, 结果发现虫孔的半径越大, 所需要的负能量物质就越多。 具体地说, 为了维持一个半径为一公里的虫孔所需要的负能量物质的数量相当于整个太阳系的质量。
      如果说负能量物质的存在给利用虫孔进行星际旅行带来了一丝希望, 那么这些更具体的研究结果则给这种希望泼上了一盆无情的冷水。 因为一方面迄今所知的所有产生负能量物质的效应都是量子效应, 所产生的负能量物质即使用微观尺度来衡量也是极其微小的。 另一方面维持任何宏观意义上的虫孔所需的负能量物质却是一个天文数字! 这两者之间的巨大鸿沟无疑给建造虫孔的前景蒙上了浓重的阴影。

    四. 探险者的地狱

      虽然数字看起来令人沮丧, 但是别忘了当我们讨论虫孔的时候, 我们是在讨论一个科幻的话题。 既然是讨论科幻的话题, 我们姑且把眼光放得乐观些。 即使我们自己没有能力建造虫孔, 或许宇宙间还存在其它文明生物有能力建造虫孔, 就象《星之门》的故事那样。 甚至, 即使谁也没有能力建造虫孔, 或许在浩瀚宇宙的某个角落里存在着天然的虫孔。 因此让我们姑且假设在未来的某一天人类真的建造或者发现了一个半径为一公里的虫孔。
      我们是否就可以利用它来进行星际旅行了呢?
      初看起来半径一公里的虫孔似乎足以满足星际旅行的要求了, 因为这样的半径在几何尺度上已经足以让相当规模的星际飞船通过了。 看过科幻电影的人可能对星际飞船穿越虫孔的特技处理留有深刻的印象。 从屏幕上看, 飞船周围充斥着由来自遥远天际的星光和辐射组成的无限绚丽的视觉幻象, 看上去飞船穿越的似乎是时空中的一条狭小的通道。
      但实际情况远比这种幻想来得复杂。 事实上为了能让飞船及乘员安全地穿越虫孔, 几何半径的大小并不是星际旅行家所面临的主要问题。 按照广义相对论, 物质在通过象虫孔这样空间结构高度弯曲的区域, 会遇到一个十分棘手的问题, 那就是张力。 这是由于引力场在空间各处的分布不均匀所造成的, 它的一种大家熟悉的表现形式就是海洋中的潮汐。 由于这种张力的作用, 当星际飞船接近虫孔的时候, 飞船上的乘员会渐渐感觉到自己的身体在沿虫孔的方向上有被拉伸的感觉, 而在与之垂直的方向上则有被挤压的感觉。 这种感觉便是由虫孔引力场的不均匀造成的。 一开始, 这种张力只是使人稍有不适而已, 但随着飞船与虫孔的接近, 这种张力会迅速增加, 距离每缩小到十分一, 这种张力就会增加约一千倍。 当飞船距离虫孔还有一千公里的时候, 这种张力已经超出了人体所能承受的极限, 如果飞船到这时还不赶紧折回的话, 所有的乘员都将在致命的张力作用下丧命。 再往前飞一段距离, 飞船本身将在可怕的张力作用下解体, 而最终, 疯狂增加的张力将把已经成为碎片的飞船及乘员撕成一长串亚原子粒子。 从虫孔另一端飞出的就是这一长串早已无法分辨来源的亚原子粒子!
      这就是星际探险者试图穿越半径为一公里的虫孔将会遭遇的结局。 半径一公里的虫孔不是旅行家的天堂, 而是探险者的地狱。
      因此一个虫孔要成为可穿越虫孔, 一个很明显的进一步要求就是: 飞船及乘员在通过虫孔时所受到的张力必须很小。 计算表明, 这个要求只有在虫孔的半径极其巨大的情况下才能得到满足[注六]。 那么究竟要多大的虫孔才可以作为星际旅行的通道呢? 计算表明, 半径小于一光年的虫孔对飞船及乘员产生的张力足以破坏物质的原子结构, 这是任何坚固的飞船都无法经受的, 更遑论脆弱的飞船乘员了。 因此, 一个虫孔要成为可穿越虫孔, 其半径必须远远大于一光年。
      一光年是个什么概念呢? 它相当于整个太阳系半径 (以冥王星轨道为界) 的一千五百多倍。 如果用地球的线度来衡量的话, 它大约是地球直径的七亿倍。 因此, 科幻电影《星之门》把虫孔的出入口建在地球及其它行星上是完全不可能的, 因为入口如此狭小的虫孔不仅无法让人安全穿越, 而且会把周围的一切在瞬息之间撕裂成亚原子粒子。 在萨根的故事中, 曾有人反对艾丽与同事把外星球智慧生物提供的蓝图付诸实施, 因为他们担心那有可能是一个用来毁灭地球的装置。 他们的担忧其实是很有道理的。

    五. 从科幻到现实

      但另一方面, 一光年用日常的距离来衡量虽然是一个巨大的线度, 用星际的距离来衡量, 却也不算惊人。 我们所在的银河系的线度大约是它的十万倍, 假如在银河系与两百二十万光年外的仙女座大星云之间存在一个虫孔的话, 从线度上讲它只不过是一个非常细小的通道。 那么会不会在我们周围的星际空间中真的存在这样的通道, 只不过还未被我们发现呢? 答案是否定的。 因为半径为一光年的虫孔真正惊人的地方不在于它的线度, 而在于维持它所需的负能量物质的数量。 计算表明, 维持这样一个虫孔所需的负能量物质的数量相当于整个银河系中所有发光星体质量总和的一百倍! 这样的虫孔产生的引力效应将远比整个银河系的引力效应更为显著, 如果在我们附近的星际空间中存在这种虫孔的话, 周围几百万光年内的物质运动都将受到显著的影响, 我们早就从它的引力场中发现其踪迹了。
      因此不仅在地球上不可能建造可穿越虫孔, 在我们附近的整个星际空间中都几乎不可能存在可穿越虫孔而未被发现。
      这样看来, 我们只剩下一种可能性需要讨论了, 那就是在宇宙的其它遥远角落里是否有可能存在可穿越虫孔? 对于这个问题, 我们也许永远都无法确切地知道结果, 因为宇宙实在太大了。 但是维持可观测虫孔所需的数量近乎于天方夜谭的负能量物质几乎为我们提供了答案。 迄今为止, 人类从未在任何宏观尺度上发现过负能量物质, 所有产生负能量物质的实验方法利用的都是微弱的量子效应。 为了能够维持一个可穿越虫孔, 必须存在某种机制把量子效应所产生的微弱的负能量物质汇集起来, 达到足够的数量。 但是负能量物质可以被汇聚起来吗? 最近十几年来物理学家们在这方面做了一些理论研究, 结果表明由量子效应产生的负能量物质是不可能无限制地加以汇聚的。 负能量物质汇聚得越多, 它所能够存在的时间就会越短。 因此一个虫孔没有负能量物质是不稳定的, 负能量物质太多了也会不稳定! 那么到底什么样的虫孔才能够稳定的呢? 初步的计算表明, 只有线度比原子的线度还要小二十几个数量级的虫孔才是稳定的[注七]!
      这一系列结果无疑是非常冷酷的, 如果这些结果成立的话, 存在可穿越虫孔的可能性就基本上被排除了, 所有那些美丽的科幻故事也就都成了镜花水月。 不过幸运 (或不幸) 的是, 上面所叙述的许多结果依据的是目前还比较前沿 - 因而相对来说也还比较不成熟 - 的物理理论。 未来的研究是否会从根本上动摇这些理论, 从而完全推翻我们上面介绍的许多结果, 还是一个未知数。 退一步讲, 即使那些物理理论基本成立, 上面所叙述的许多结果也只是从那些理论推出的近似结果或特例。 比方说, 许多结果假定了虫孔是球对称的, 而实际上虫孔完全可以是其它形状的, 不同形状的虫孔所要求的负能量物质的数量, 所产生张力的大小都是不同的。 所有这些都表明即使那些物理理论真的成立, 我们上面提到的结论也不见得是完全普遍的。 未来在这一领域中无疑会有更深入的探索, 或许那些新的探索会为我们带来有关可穿越虫孔的新的希望。

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