從《星際穿越》看穿越蟲洞的可能性丨壹讀精選

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老貓|譯

科幻太空史詩《星際穿越》正在熱映，劇中人類文明正面臨毀滅的危險，但是太空人們看到了一絲希望：因為土星附近神秘地出現了一個蟲洞。這條穿越時空的隧道通向一個遙遠的星系，人類可以穿過這條隧道，找尋一個可以殖民的星球，以延續我們的文明。

電影中的蟲洞是基於真實的物理學理論的，由天體物理學先驅基普·索恩（Kip Thorne）建立。索恩曾經是加州理工學院的教授，不過現在已經退休在家。除了學術上的貢獻外，他還曾經幫助卡爾·薩根（Carl Sagan）設計著名科幻小說《接觸》（Contact）中的蟲洞。《星際穿越》電影中的視覺效果非常震撼，很多人都認為電影中對蟲洞與黑洞描繪的準確性可能在整個電影史上數一數二。當然，在電影中還有一個很重要的方面沒有提及：你如何在這樣的一次星際穿越中活下來？

影片中，NASA的科學家依然在試圖解決重力問題。圖片：Paramount Pictures and Warner Brothers Entertainment

蟲洞是什麼？

雖然愛因斯坦和他的助手納森·羅森（Nathan Rosen）最早不這麼叫它，但是蟲洞最初的確是他們的智慧結晶。當時他們正在試圖用各方法來解愛因斯坦的廣義相對論方程，以期用一個純粹的數學模型來解釋整個宇宙，包括重力，以及構成物質的各種粒子。其中包括的一種方法是將空間描述成兩個幾何面，其間由「橋」連接，而在我們的感知中，這些橋就是粒子。

1916年，另外一位物理學家路德維希·弗拉姆（Ludwig Flamm），同樣是在解愛因斯坦的方程的時候，獨立發現了這些「橋」。不幸的是，這個「萬有理論」並不成功，因為這些「橋」的表現並不像是真正的粒子。但是愛因斯坦和羅森在1935年發表的論文使得「穿越時空結構的隧道」這個概念得以流行，其它物理學家不得不認真地考慮這些隧道帶來的影響。

20世紀60年代，普林斯頓大學的物理學家約翰·惠勒（John Wheeler）在研究「愛因斯坦-羅森橋」的數學模型時，創造了「蟲洞」這一術語。他指出，這些橋很像蟲子鑽過蘋果後留下的洞。一隻螞蟻從蘋果的一端爬到另一端，選擇一是繞著蘋果彎曲的表面爬上半圈，選擇二則是抄蘋果上的蟲眼這條小路。想像一下在更高緯的空間裡，如果我們所處的三維時空就像是蘋果皮一樣彎曲著的，那麼穿越高維空間實體的「蟲洞」，必然可以讓我們更快地在三維空間中的兩個點之間往返。這聽上去有些奇怪，但從數學上來說，這是的確是廣義相對論的一個合理的解。

我們能通過由經典的史瓦西黑洞造成的蟲洞嗎？

惠勒意識到愛因斯坦-羅森橋入口的特性與史瓦西黑洞（Schwarzschild black hole）的描述恰好相符：一個由物質組成的球體，密度大到連光也無法從它的引力場中逃逸。天文學家認定黑洞是存在的，認為大質量恆星核心坍縮之後就會形成它們。所以黑洞可以同時是蟲洞，亦即星際旅行之門嗎？數學上來說，可能可以——但是沒人能活著完成這次旅行。

影片中，花朵狀的永恆號太空船正在接近蟲洞。圖片：Paramount Pictures and Warner Brothers Entertainment

在史瓦西模型中，黑洞的核心是一個奇點，一個具有無限大密度的，中性的，靜止的球體。惠勒計算了如果三維空間中兩個相距遙遠奇點跨越更高維度相連會發生什麼——形象一點兒說，就是兩個史瓦西黑洞通過隧道相連。他發現這樣的蟲洞天生就不穩定，這樣的隧道可以形成，但是很快就會收縮「夾止」（即從中收縮斷開），重新形成兩個獨立的奇點。這個過程非常快，隧道從形成到斷開的時間如此之短，以至於連光都來不及從中穿過。而且如果太空人想要從中通過的話，必然會遇到其中的一個奇點——這是件必死無疑的事情，因為奇點巨大的引力會將任何一個試圖靠近的人撕得粉碎。

索恩也在這部電影的配套書籍《星際穿越中的科學》中寫道：「任何試圖穿越（蟲洞）的人或物都會在夾止過程中被毀滅。」

如果黑洞轉起來，形成一個克爾黑洞呢？

當然我們還有選擇的餘地：廣義相對論認為還有可能存在著一種轉動著的克爾黑洞（Kerr black hole）。與史瓦西黑洞中的球體不同，克爾黑洞中的奇點是一個環。有一些模型認為，人可以舒服地從這個環的中間通過，就像籃球通過籃筐那樣。但是索恩對此觀點有諸多異議。在1987年他發表的一篇關於穿越蟲洞的論文中，他提出克爾黑洞的喉部具有一個非常不穩定的區域，叫做柯西視界（Cauchy horizon）。數學告訴我們，任何物質，包括光，試圖通過這一視界的時候，這個通道都會坍縮。而且即使通過什麼特殊的途徑使得這個蟲洞穩定下來，量子理論告訴我們蟲洞裡也將充滿各種高能粒子。涉足克爾黑洞，你會被炸得像薯片一樣脆。

如果再加入一些量子理論呢？

現在的關鍵是，經典引力理論尚未與量子理論完美結合——雖然有很多研究人員試圖搞定它，但是用數學來表示量子世界依然很難實現。不過在一方面，普林斯頓大學的胡安·馬爾達西那（Juan Maldacena）和史丹福大學的倫納德·薩斯坎德（Leonard Susskind）認為，蟲洞可能是量子糾纏態的物理表現——這種狀態下的物體不論距離多遠都是相互關聯的。

愛因斯坦曾譏諷量子糾纏為「鬼魅般的超距作用」，並拒絕接受這一理念。但是很多實驗告訴我們量子糾纏是真實存在的——這一現象甚至在商業上都得以應用，例如在銀行交易時用以保護在線傳輸的安全性。根據馬爾達西那和薩斯坎德的理論，大量的糾纏態變化會改變時空的幾何形態，以糾纏態黑洞的形式形成蟲洞。但是這個版本的蟲洞並不會使星際穿越之門。

「這些蟲洞並不能讓你超光速航行，」馬爾達西那表示，「但是它可以讓你與蟲洞裡的人見面，當然得提前警告你們，兩邊的人會同時死於引力奇點的作用。」

除了黑洞，我們還有其他的選擇嗎？

所以，黑洞是個大問題。那，蟲洞可能是什麼？哈佛-史密森尼天體物理中心的阿維·勒布（Avi Loeb）表示其實要形成一個蟲洞的話，我們還有很多可能性：「因為我們現在還沒有一個理論可以很好地將廣義相對論與量子理論統一起來，所以我們還不知道能夠形成蟲洞的時空結構都有哪些可能性。

還有一個問題。索恩在他1987年的工作中發現，符合廣義相對論的任何類型蟲洞都會坍縮，除非它是由具有負能量的「奇異物質」支撐著的。他認為我們有證據表明奇異物質的存在，因為實驗表明真空中的量子漲落似乎會產生一個負壓，就像兩面緊靠著的鏡子一樣。勒布還表示，我們觀察到的暗能量可能進一步暗示著宇宙中奇異物質存在的可能性。

「縱觀宇宙近代史，不難發現河外星系都在遠離我們而去，而且速度越來越快，就像是受到了反重力的作用一樣，」勒布表示，「如果我們認為宇宙中充滿具有負壓力的物質，就可以解釋宇宙的加速擴張……就像是我們製造一個蟲洞所需要的那種一樣。」當然，這兩位科學家都認為，自然形成一個蟲洞需要的奇異物質太多了，而且只有高度發達的文明才有可能收集足夠的奇異物質，來維持蟲洞的穩定。

我們的太空人，似乎真的兇多吉少。圖片：Paramount Pictures and Warner Brothers Entertainment

當然其他的物理學家並不太相信這一觀點。「我認為一個穩定的，可以穿行的蟲洞的存在會讓人十分困擾，因為這與已知的物理學定律相違背。」馬爾達西那表示。北歐理論物理研究所的薩賓·霍森菲爾德（Sabine Hossenfelder）對此更加懷疑：「我們目前沒有任何證據表明它（奇異物質）存在。實際上很多人都認為它不可能存在，因為那樣的話真空就會不穩定。」即使奇異物質存在，想要漂亮地穿越蟲洞，可能也不是那麼容易的事情。實際的效果可能取決於蟲洞周圍的時空曲率，以及蟲洞中的能量密度，霍森菲爾德表示：「這裡發生的情況可能和在黑洞裡發生的差不太多：潮汐力太大，試圖穿越的人被撕碎。」

即使與電影有著直接的關聯，對於是否存在可以穿越的蟲洞這一問題，索恩依然持悲觀態度，更不用提太空人能否活著穿越它們了。「如果（蟲洞）能夠存在，我非常懷疑它們能否在宇宙中自然形成，」他在書中寫道。但是《星際穿越》的編劇克裡斯託夫·諾蘭和喬納森·諾蘭還是得到了索恩的讚賞，努力講述一個植根於科學事實的故事本身就值得肯定。

「這個故事已經徹底成為克里斯多福和喬納森的故事了。」在接受《連線》雜誌採訪時，索恩表示，「但是故事的精髓，拍攝一部從一開始就將科學植入的電影的這一目標，以及這其中了不起的科學知識，都得以完整的保留。」

編譯來源 Smithsonian.com: Would Astronauts Survive an Interstellar Trip Through a Wormhole?

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