虫洞之谜：虫洞的另一端有什么?

UFO爱好者

　　“人类诞生在地球上。这从不意味着要灭亡于此。”

        　　在很久的未来，农作物无法种植使得地球不再适宜居住。而人类将不得不穿越星际，去深空之中寻找新的家园。

        　　作为爱因斯坦广义相对论一个推导结果，虫洞不仅给我们提供了穿越星际的便捷途径，而具还可能变成时间机器允许我们回到过去。

       


        　　那么有没有便捷途径呢?爱因斯坦的广义相对论给了我们希望，其理论所预言的虫洞就是通往星际空间的便捷通道，而该片中的宇航员就是利用虫洞来实现星际穿越的。

        　　广义相对论是爱因斯坦研究时空与引力关系的理论，它革新了牛顿时代的静止时空观，认为时间和空间并不是静止不变的，而是可以变化和弯曲的。令爱因斯坦没想到的，相对论不仅引起了我们时空观的一场革命，而且预言了宇宙中一系列奇异事件或现象——宇宙大爆炸、时间旅行、暗能量、以及黑洞和虫洞。我们可以说，这些新发现是属于广义相对论的，属于爱因斯坦的。

        　　虫洞究竟是什么样子?

        　　1935年，爱因斯坦与他的好友、美籍以色列裔物理学家纳森·罗森，在研究引力场方程时发现，对于弯曲时空来说，在理论上可以有一个连接宇宙中两个遥远地点的捷径。这就像一座山的两端可以通过隧道进行连接一样。

        　　但宇宙中的虫洞可不像山底的隧道那么容易开凿，自从虫洞这个概念提出几十年来，顶尖的理论物理学家们对其的探讨仍然是纸上谈兵阶段，不像宇宙大爆炸、黑洞这样的现象已经被观测所证实。不过，随着思考的日益深人，关于虫洞的细节逐渐丰富起来。

       


        　　假设宇宙中有一个虫洞，它会是什么样子呢?其实非常简单。它有两个洞口，例如有一个在地球附近，另一个在约26光年远的织女星附近。两个洞口通过在高维空间中延仲的隧道相连。这个隧道可以非常短，例如只有1千米，所以如果我们通过虫洞从地球抵达织女星，我们就可把路途从26光年缩减为1千米。所以说，虫洞可以成为宇宙中的快捷通道。

        　　虽然虫洞可以缩短旅途的距离，但并不是超越了光速。例如，你通过虫洞从地球抵达织女星，很显然比穿过虫洞外的时空抵达的光线还要快，但是你在穿越虫洞时相对虫洞的速度是不能超过光速的。

        　　在现实的三维空问中，虫洞看起来并不像一个隧道或一座桥，因为你只能看到它的洞口，而它的隧道是在四维空问里延伸，你无法直接看到隧道的模样。其中，洞口看起来像一个巨大的玻璃球，如下图:

       


       


        虫洞不是黑洞

       


        　　许多人都认为虫洞不过是另一种黑洞而已，但这种观点是错的。其中的一个区别是，黑洞都有一个事件视界(一种任何物质进去之后有去无回的边界)，而并不是每个虫洞都具有事件视界。有一些虫洞具有事件视界，但并不是像黑洞那样是因为存在一个密度无穷大的奇点，而是因为虫洞的隧道内引力引起的潮汐力过于强大。虫洞和黑洞另一个区别是，虫洞有两个洞口并通过一个隧道相连，而黑洞只有一个洞口，洞口的尽头是一个死胡同，任何物质掉进黑洞都会最终撞上内部的奇点。

       


        不止一种虫洞

        　　另外很重要的事实，是虫洞不只有一种。一种分类虫洞的方法是虫洞的隧道是否是基本稳定的，还是不稳定的(例如隧道不断地开启然后闭合)。第二种分类方式是，需要多少物质才能创造出生成虫洞的引力场，一种只需要行星质量的，而有一些需要好几倍恒星质量。另外，虫洞隧道的潮汐力的大小也是一种分类虫洞的办法。

        　　接下来的我们来阐述两种虫洞。一种是史瓦西虫洞，它是一种不稳定的虫洞。另一种是稳定的虫洞，它允许物质穿过它，所以也可以说是一种可穿行的虫洞。

        不同的时空与史瓦西虫洞

        　　物理学家首先提出来的虫洞是史瓦西虫洞，它是广义相对论中爱因斯坦方程其中一个解的产物。

        　　在研究爱因斯坦方程的过程中，物理学家发现除了时空中存在黑洞以外，还必须存在白洞。而白洞正好是黑洞的时间反演，里面的任何物质都会向外运动，穿过它的边界(也称为事件视界)之后就再也无法回到内部。除了黑洞和白洞这两个时空区域，还得有另外两个彼此完全隔离的时空区域，称为两个不同的“宇宙”。这两个宇宙与黑洞和白洞的关系如下:白洞中的任何粒子和信号都可以进人这两个宇宙，但都无法返回到白洞里;两个宇宙中的任何粒子和信号都可以进入黑洞，但都无法在从黑洞中逃离，只能撞上黑洞内的奇点上;两个宇宙彼此完全隔离，也就是它们之间没有任何信息可以交流。所有四个区域可以由下左的时空图来表示。

        　　下面的时空图是在一种特殊坐标系下的时空图，图中的每一个点代表着一个二维球面。两条对角线代表事件视界，它们把时空分成了四个区域:I和IV分别代表两个彼此隔离的宇宙，II代表黑洞，III代表白洞。奇点出现在黑洞和白洞区域，以双曲线的形式表示。(你可能注意到了白洞内部也有个奇点，这个很好理解:许多物理学家认为宇宙大爆炸其实就是一个白洞，而奇点就是大爆炸之前的那个密度无穷大的点。)
     
  
        

        　　在图中，我们会发现I和IV这两个的宇宙在中间点上是相连的，这个点其实就是史瓦西虫洞，可以把两个宇宙连接起来。事实上，它也把四个时空全部连接了起来。

       


        　　这种虫洞就是爱因斯坦和他的同事纳森·罗森最早提出的，所以在当时他们把它称为爱因斯坦一罗森桥。它在镶嵌图中是下面右图的样子，其实可以说是一个黑洞的内部与一个白洞的内部相连所形成的时空结构。所以说，史瓦西虫洞应该是单向的，也就是说虫洞的一端任何物质只进不出，另一端只出不进。

       


        这是一个不稳定的虫洞

        　　那么，我们能否利用史瓦西虫洞，从我们的宇宙跑到另外一端的宇宙呢?可惜，这是不可能的。上世纪60年代，美国物理学家约翰·惠勒和他的同事发现，这种类型的虫洞是不稳定的，存在的瞬间转瞬即逝，

        　　任何物质包括光都来不及从一个宇宙中穿过虫洞并抵达另一个宇宙。

        　　下页图中表示了史瓦西虫洞的隧道的变化过程。形成前只是两个分离的黑洞和白洞，形成虫洞后瞬间又变成黑洞和白洞。在图中可以看出，任何尝试穿过虫洞的东西都不可能从另一端出来，它最终都会在虫洞关闭之后撞到奇点上。

        　　史瓦西虫洞的一个洞口像黑洞，另一个的洞口像白洞。事实上，对于一个外面的观察者来说，虫洞的一个洞口与真正的黑洞看上去是一模一样的。也许宇宙中的那些黑洞内部会形成短暂的史瓦西虫洞。

       


        　　现在让我们来想象一下如果你从洞口进人虫洞会是什么样子。开始进人洞口的过程与进人一个黑洞类似，当你穿过事件视界之后，如果你没有被潮汐力撕碎的话，你可以看到洞口的中间有扭曲的图像，这是从虫洞另一端发射过来的光线。下面的图则简要地表示了这种情况。

       


        　　图中图像是虫洞这边的星空图，左边的是虫洞另一边的星空图。虽然你可以看见虫洞另一侧的景色，但很可惜你无法抵达那里。因为史瓦西虫洞是不稳定的，在你还没有反应过来的时候，虫洞就关闭了，你之后会撞倒在虫洞关闭后形成的奇点上。

       


        　　史瓦西虫洞转瞬即逝，任何物质都无法穿过它。

        　　那么有没有办法使得史瓦西虫洞稳定下来呢?美国物理学家基普·索恩找到了~种办法，尽管看上去不可思议。

        稳定而可穿行的虫洞

       


        　　一个可穿行的虫洞应该满足下面几个条件:

        　　1)虫洞是稳定的，或者至少可以存在很长时问，而不能像史瓦西虫洞那样，还没等物质传过去，它就关闭了;

        　　2)虫洞内部不含有事件视界，这样物质才可以自由地双向穿行;

        　　3)穿过虫洞得在有限时间内完成。

        　　另外，如果人要驾驶宇宙飞船穿过虫洞，虫洞内部潮汐力的加速度得足够小，至少得小于人体所能承受的加速度(大约相当于重力加速度的10倍)。1988年，索恩和他的学生麦克·莫里斯详细地探讨了这种虫洞。根据爱因斯坦的引力方程，他们发现这种虫洞如果存在的话，其内部必须存在平均能量密度为负数的物质(下面把它称为“奇异物质”)。

        　　这种奇异物质并不是十分的古怪，事实上我们在实验室中就可以产生它。例如，真空中彼此平行的两片金属板之间将会存在一种吸引力。因为真空并不是真的空，而是充满了能量的涨落。能量的涨落会产生虚粒子，不过金属板之间只能装下特定波长的虚粒子，这样就会导致金属板之间的真空能量比其他正常空间里的能量低。真空是平均能量为零的空间，这样金属板的空间就是平均能量为负的空间了。金属板之间的物质就可以认为是具有负能量的奇异物质。如果这样的奇异物质贯穿到虫洞之中，虫洞就有足够的时间保持开放状态让物质通过。

        在高维世界打开虫洞

        　　虽然我们可以利用金属板之间产生一些奇异物质，但那是十分稀少的。而要撑开虫洞，则需要很多奇异物质。撑开一个半径为1厘米的虫洞，需要相当于一个地球质量的奇异物质;撑开一个半径为1千米的虫洞，需要相当于一个太阳质量的奇异物质;撑开一个半径为1光年的虫洞，需要大约银河系发光物质总质量100倍的奇异物质。另外，如果能让一艘载人宇宙飞船穿过的话，虫洞内部的潮汐力引起的加速度不能太大。经过计算发现，人类能承受的虫洞，其半径至少要大于1光年。

        　　我们完全不知道如何产生那么多的奇异物质。看来，利用奇异物质来打开虫洞并进行星际旅行，难度巨大。

        　　不过换一个角度来想，可穿行的虫洞真的必须要有奇异物质吗?

        　　在2002年，一些物理学家发现，高斯一波涅引力理论下的虫洞可以不需要奇异物质就可以保持打开状态，甚至它可以不需要任何物质就可以保持打开。高斯一波涅引力理论其实是一种把高维空间加人到广义相对论中的理论，它把我们的世界描述为一个四维时空的岛，或者一种“膜”，漂浮在更高维的时空中。而虫洞则可以把不同的“膜”世界连接起来，而且它不需要任何物质就可以稳定地存在。
     
  
        

        　　如果这种微小的虫洞诞生在宇宙早期的话，那么它很有可能会因宇宙的暴胀(宇宙诞生之后所经历的一种剧烈的膨胀)而变得足够大，直到天文学尺度。

       


        从虫洞里回到过去

        　　虫洞不仅可以快速到达宇宙另一个区域，或者是另一个宇宙，而且它还可以用来当作时间机器回到过去。例如，一个洞口如果相对另一个洞口高速运动时，虫洞就会变成时间机器。根据相对论引起的效应，两个洞口的时间将会不一样，这样你就可以穿过虫洞回到过去。下面来举个例子说明。

        　　一个人在地球上创造了一个虫洞，他把一个洞口放在他家里，另一个洞口放在一个宇宙飞船上。他可以带着这个洞口坐着飞船去宇宙溜达一圈回到地球。根据相对论我们知道，跑得越快，时间流逝得越慢，所以对于他来说这个过程可能只过了12个小时，但是地球上却已经过了10年。那时他的家可能不复存在了。但他如果从飞船的虫洞望过去，会发现洞口另一端仍是那个他刚离开时的地球。所以他完全可以爬进虫洞，回到10年前的地球，也就是说他可以利用虫洞回到过去!(不过我们也注意到，他是无法回到虫洞创造以前的时刻，所以他不可能回到二战前干掉幼年的希特勒。)

        　　所以说虫洞在某些情况下是可以成为时间机器的，它可以创造出一个可返回到过去的时问圈。时间圈的正式名称叫做封闭类时曲线，而虫洞则是能产生封闭类时曲线的一种。

        时间旅行的悖论

        　　接下来面对的问题是，宇宙允许时间机器存在吗?一个很显然的问题是，任何物体穿过可回到过去的虫洞后，会不可避免地破坏因果关系并产生悖论。例如著名的“祖父悖论”:有人穿过虫洞回到过去杀掉自己的祖父，从而阻止了自己之后的出生，这样自己就从来没有出生子因此也就无法回到过去杀掉自己的祖父。

        　　不过祖父悖论还存在着一个问题，那就是人是否真的具有自由意志:作为一个人，我有没有决定自己命运的能力?当我回到过去时，真的有能力杀掉自己的祖父?当我准备举刀刺向祖父时，会不会有一种无形的力量阻止我这么做呢?

        　　自由意志问题，其实比时间机器更加令人困惑。所以为了避免这样的问题，我们可以去研究由非生命物体所产生的悖论，然后尝试来解决这个悖论。

        消除悖论的假想实验

        　　例如考虑一个台球从某个地点进人虫洞的一个入口，回到过去并从另一个洞口飞出，然后正好撞到原来的自己，使得原来的台球改变了方向，从而使它无法进人虫洞然后回来打到自己。

        　　这种情况与祖父悖论类似，都是回到过去改变了历史，并产生逻辑不通的问题。怎么解决这种问题呢?其实很简单，如果我们能找到一种逻辑自洽(即根据逻辑推理可证明自身存在的合理性，并且不会产生矛盾和错误)的结果，并满足一切的物理定律，就可以消除这种悖论。注意到台球是经典的物体，它有着确定的位置和速度，所以台球只需要满足经典物理学定律。

        　　索恩和他的学生在1988年详细探讨了这种台球问题。经过一番努力，他们发现在初始条件不变的情况下，确实存在满足经典物理学定律的并且逻辑自洽的结果。具体地说，这个台球还是按照原来的路线飞向虫洞的一个洞口，不过会在途中被另一个台球轻微地撞到(我们之后会看到它是这个台球未来的自己)，然后路线将会出现轻微的偏离，它进人虫洞回到过去并从另一个洞口飞出，因为它的路线已经出现轻微的偏离，所以它并不会像上面的例子那样猛烈地撞到原来的自己，而是轻微地撞到。这种过程就是完全逻辑自洽的，悖论消除了。

        　　需要注意的是，这里轻微地碰撞具体有两种情况，一个是碰撞原来的台球一边，另一个是碰撞原来的台球另一边。也就是说存在两种逻辑自洽的轨道。

       


        　　这是一个令人震惊的结果。因为在没有时间机器的宇宙中，初始条件不变的情况下，根据经典物理理论，台球运动的轨道有且只有一种轨道。而时间机器的出现打破了这种经典物理学中的确定性。另外，在某些其他的初始条件下，时问机器还可以使得台球具有无限多个不同的轨道，而不只是两种。

        　　那么这意味着什么?如果你了解量子力学的话，那么这就不足为奇了。量子力学与经典物理学大为不同，在相同的初始条件下，它会得出要所要发生事情的概率，而不是确定的事情。如果用量子力学的眼光来看前面的台球实验，那么台球开始飞向虫洞时，它将有一定的概率选择其中的一条轨道，有一定的概率选择另一条轨道。(如果你做一次台球实验，只能得到其中的一个结果。多次做实验就会发现，一些球会选择其中的一条轨道，一些球会选择另一条轨道。)

        　　看样子悖论好像可以消除，那么宇宙中真的会允许虫洞变成时间机器吗?

        　　我们知道描述引力的广义相对论与量子力学是不兼容的，不过可以使用一些半经典的办法来研究引力

        　　这是一个令人震惊的结果。因为在没有时间机器的宇宙中，初始条件不变的情况下，根据经典物理理的一些量子效应。索恩等一些物理学家发现，如果把量子效应考虑进去的话，就会发现，在虫洞在形成时间机器的瞬间，总会有一束真空涨落反复地穿过它，最终真空涨落变得异常强烈，从而破坏掉虫洞，来阻止时间机器的形成。斯蒂芬·霍金把这种阻止时间机器形成的机制称为“时序保护猜想”。时序保护猜想会阻止任何形式的时问机器(包括虫洞)的形成。
     
  
        

        多世界中的虫洞

        　　那么虫洞真的不能变成时间机器吗?别急，还有一种办法可以挽救。1991年英国物理学家大卫·多伊奇提出，可以利用多世界诊释的观点，来拯救时间机器。其中，多世界诊释是一种有别于传统的诊释量子力学的理论。

        　　传统的量子诠释认为在测量之前，一个微观粒子可以同时处在各种状态，这种状态称为叠加态，物理学家可以用称之为波函数的工具来描述。你一旦进行测量，叠加态就会被破坏，粒子就会变为唯一的一种状态。而多世界诊释认为，一个粒子在任何时候都处在叠加态之中，粒子的每一状态都处在多个子世界中的一个。在测量前，这些子世界彼此能影响对方，所以我们能观测到它处在叠加态。一旦进行测量，每个子世界就会变得彼此不相干了，无法感知对方，所以你只能看到一个结果，但粒子仍然处在叠加态之中。

        　　多世界诠释不仅适用于微观粒子，事实上任何事物都是如此。比如你选择去买哪种水果来吃，你就会产生许多个彼此不相干的子世界。你在这个子世界中选择了苹果，你在那个子世界中选择了香蕉。你只能感知其中的一个子世界，无法感知其他的子世界。

        　　除了那些微观粒子的子世界可以彼此感知，其余的子世界是不通的。你从来就没有看到过另一个子世界中的你。那么我们真的就不能进人另一个子世界了?

        　　多伊奇指出，虫洞成为时间机器之后，连接的并不是同一个世界，而是不同的子世界。这样你穿越虫洞回到的是另一个子世界，那里可能与我们的世界大为不同，可能小行星并未撞击地球，恐龙仍是世界主宰，或者可能德国纳粹首先研制出原子弹等等。多伊奇发现，穿越虫洞回到另一个子世界的好处是，不仅祖父悖论不会出现，而且那个真空涨落也不会在虫洞里变得异常之大。可以说，虫洞也许可以打开通往另一个世界的大门。

        　　但是，虫洞在今天仍是一个理论名词，要找到一个或者制造一个虫洞去通向另一个世界，人类还有很长的路要走。