3分鐘讀懂蟲洞與五維空間

宇宙浩瀚，但人類的探索從未止步。無論是科幻電影還是科幻小說，都在書寫對未來的思考、對未知的大膽想像。《星際穿越》就為我們講述了當人類遭遇生存危機時，穿越星系，尋找新家園的故事。影片所描繪的情景令人神往，宇宙飛船通過穿越蟲洞，抵達另一個星系。又通過進入黑洞內部，突破時間空間的藩籬，改變了人類命運。

人民日報《發現》欄目邀請南開大學物理學院副教授李磊與記者周飛亞，聊聊蟲洞、黑洞、五維空間、時空穿越等概念是否真的存在於宇宙中，人類距離真正了解它們，甚至實現電影中的穿越，還有多遠？

蟲洞，真的存在嗎？

在電影《星際穿越》中，未來地球已經被狂躁的沙塵暴摧毀；太空人庫珀奉命飛往外太空，通過土星附近的一個蟲洞飛往宇宙另一端，尋找人類適合居住的新星球。片中土星旁邊一個美麗的球狀物體就是蟲洞，宇宙過於廣闊，從地球到達新的星球，飛船僅僅超越光速還不夠，還需要一個扭曲時空的蟲洞。

李磊：蟲洞是在廣義相對論中容許存在的一種特殊結構，它可以把時空中的兩個點直接連接起來，不管這兩點在空間距離上或時間間隔上相距多遠。對它的簡單理解，就如同一張紙上相隔較遠的兩個點，通過摺疊將兩點重合在一起。

利用蟲洞的特性，我們就有可能在較短的時間內完成遠距離的空間旅行，或者進行時間旅行。不過，我們還沒有在天文觀測中找到蟲洞存在的實驗證據。在理論上也還存在各種各樣的困難。例如，製造和維持蟲洞可能需要具有負能量的物質。

如果定義真空所具有的能量為零，那麼我們通常提到的所有物質和它們的運動形式都具有正能量，負能量就是能量比真空還低。現在知道，只有量子物理中的卡西米爾效應可以提供非常微弱的負能量。所以，蟲洞能否存在或製造出來，在理論上還要等待完全量子化的引力理論來作出判斷。

周飛亞：蟲洞為啥叫蟲洞？從蘋果表面的一個點到另一個點，走的是一條弧線，但假如有一條蟲子在兩點之間蛀出一條通道爬過去，就可以走距離短得多的直線了。而我們所在的三維宇宙，就是蘋果的表面。

這個形象的概念，在1957年正式誕生，1985年首次出現在科幻小說中——這部大名鼎鼎的小說，就是卡爾·薩根所作、後來被拍成了電影的《接觸》。值得一提的是，正是《接觸》的流行，使物理學家對蟲洞產生興趣，進行了更深入的研究——作為科學與文學的結晶，科幻，就是以這樣的方式反哺著「父母」。

如今，在物理學意義上的蟲洞有著多種模型，而在科幻小說和影視中，蟲洞大都是以「交通要道」的面目出現的。這樣的設定，表現了人們探索的欲望和對星空的嚮往。古往今來，人類一直在不斷開拓自己的領地，向著未知的遠方進發。我們的腳步，從非洲的一個原始部落邁出，踏遍了一塊大陸，再跨越海洋或天空，覆蓋了整個地球，最終將目光投向了浩渺宇宙。從這個意義上來說，蟲洞，不僅僅是一條捷徑，更代表了一個夢想。它所通往的，不僅僅是明確的目的地，更是無限新奇的未知世界。

有趣的是，在蟲洞概念誕生的同一年，蘇聯發射了人類的第一個太空飛行器，向遙遠的外太空邁出了第一步。這，難道不是一個必然的巧合嗎？

黑洞，真的是個窟窿？

李磊：黑洞不是一個黑窟窿，而是一種密度極大的天體。從目前的研究成果看，黑洞一般由恆星演化而來。暮年的恆星，在自身引力作用下發生收縮，半徑減小，中心密度增大。我們知道，質量越大，引力就越強，在恆星質量足夠大、滿足一定條件的情況下，其半徑收縮至小於某一個值時，密度會大到在它表面的光都無法逃離的地步，這個時候天體就不可見了，我們把它叫做黑洞。

天文觀測發現，除了前面所說的恆星級黑洞，在大型星系的中心還存在著由於引力坍縮所形成的超大質量黑洞，其質量可以達到太陽質量的幾百萬倍至一百億倍以上。

很多人相信黑洞最後將坍縮成一個體積無窮小、密度無限大的奇點，圍繞著這個奇點存在一個無法逃逸的區域，這個區域的邊界稱為視界。在視界以外的觀察者不受視界以內任何事件的影響，也無法獲得視界以內任何事件的信息。如果有人從外向內穿越了視界，那麼在遠處的觀察者看來，視界附近的時間流逝速度也將發生特別有趣的變化。另外，從溫度的角度來說，人類平安穿過視界進入黑洞的可能性也是幾乎沒有的。黑洞外圍的溫度太高，一接近它就被熱成等離子體了。

周飛亞：如果要給科學界的研究對象列一個神秘排行榜，黑洞一定是名列前茅的嘉賓。質量無限大，體積無限小，連速度最快的光都無法逃脫其魔爪，誰也不能探測到其內部是什麼——這樣的特質，給黑洞戴上了嚴實的面紗。

不過，雖然神秘，但在《星際穿越》裡那一系列玄乎的事物中，黑洞反而是最靠譜的一個了——至少，它是唯一經科學證實確實存在的。

哲人蘇格拉底有句名言，「我所知道的就是我一無所知」，面對黑洞一籌莫展的科學家們一定會把他引為知音。不過，也正是這種幾乎一無所知的境況，給了科幻文學作品盡情施展的空間。總的說來，黑洞已經客串了如下角色：宇宙中的暗礁，千萬要避開的危險區域；航路上的加油站，利用其巨大的引力來獲取加速度、節省燃料。

事實上，蟲洞理論中的一種就認為黑洞是蟲洞的一部分，在這種理論中，黑洞還有一個兄弟叫白洞，墜入黑洞的飛船就是從白洞掉出來。此外，科學家們還提出了量子層級的微型黑洞的假設，它們的結構很不穩定，產生與消失的速度都極快，而在一些科幻小說中，微型黑洞已經成為未來的大規模殺傷性武器。

看起來，這些離我們還很遙遠，也許在將來的某一天，它們還會被不斷發展的科學證明是謬誤。但是，這並不能熄滅我們幻想未來的熱情。人類一思考，上帝就發笑，可如果不思考，上帝連發笑都不屑。

五維空間

在電影《星際穿越》中，連續探索了兩個看似適合人類居住的星球之後，庫珀把補給留給了隊友，自己再次穿越蟲洞嘗試返回地球，結果他墜入了一個奇幻的空間：女兒書房裡的書架背後。這個時間可以逆轉，庫珀看到了當年在這個房間自己跟女兒告別的情景，但他無法打破這個空間，也無法讓其他人看見、聽見自己。這就是一個五維空間，不同於我們所在的三維空間，五維空間裡時間是如同一座山一樣實質存在的，庫珀需要告訴女兒如何解開五維空間的方程式，能通過五維空間傳遞的只有重力。於是他用灰塵的重力和手錶的指針發送摩斯電碼，把方程式的答案傳給了長大後的女兒。

科學家們認為，三維空間模型已經是非現實的，宇宙學家將時間看作第四維，而第五維指的是能量無界限。根據科學家的假設，宇宙是平坦的，而這就有可能作時光旅行。　

事實上的物理維度是多樣的，我們熟知的是三個空間維度和一個常聽說的時間維度：

零維向任意方向(方向是任意的)生長，就形成了一維線(直線)；

一維線延法線方向(方向在一個平面內，所以是法平面,是二維的)生長就形成二維面；

同理，二維面延法線方向(方向固定了，在一直線上)生長得到三維體。

而三維體在空間上已經沒有生長可能。（這是用推論法得出的：零維點有三維生長方向，一維線有二維平面為生長方向，二維平面有一維線為生長方向。生長方向隨空間維度的升高而遞減。三維體的生長維數為零。）所以三維空間不可能生長成四維空間。

四維的稱為時空，時間維度是獨立在空間維度之外的物理維度。

那麼五維是什麼呢？

如果說時間（四維）是由三維運動構成的，那麼五維就是由四維運動構成的。第五維空間其實就是一個時間平面。我們可以想像，一個五維空間的物體，應該是跨越不同時間軸線的，但在任意一個時間軸線上我們只能觀察到它的一部分。

還有沒有六維、七維？

請注意，物理中的維度是從數學上定義的。從這個意義上來說。六維、七維乃至更高維度，都是有的。

現代物理學界公認的理論是八維空間，分為X維（物體的長）、Y維（物體的寬）、Z維（物體的高）、時間維、重力維、電磁力維、萬有引力維、萬有斥力維。而著名的科學家霍金所提出的宇宙模型，給出了11維空間！

曹奎