星際穿越：宇航員能活著穿過蟲洞嗎

Victoria Jaggard 老貓

想象一下在更高緯的空間里，如果我們所處的三維時空就像是蘋果皮一樣彎曲著的，那么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(diǎn)之間往返

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，但是宇航員們看到了一絲希望：因為土星附近神秘地出現(xiàn)了一個蟲洞。這條穿越時空的隧道通向一個遙遠(yuǎn)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(xù)我們的文明。

電影中的蟲洞是基于真實的物理學(xué)理論的，由天體物理學(xué)先驅(qū)基普·索恩（Kip Thorne）建立。索恩曾經(jīng)是加州理工學(xué)院的教授，不過現(xiàn)在已經(jīng)退休在家。除了學(xué)術(shù)上的貢獻(xiàn)外，他還曾經(jīng)幫助卡爾·薩根（Carl Sagan）設(shè)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(rèn)為電影中對蟲洞與黑洞描繪的準(zhǔn)確性可能在整個電影史上數(shù)一數(shù)二。當(dāng)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？

蟲洞是什么

雖然愛因斯坦和他的助手納森·羅森（Nathan Rosen）最早不這么叫它，但是蟲洞最初的確是他們的智慧結(jié)晶。

當(dāng)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(shù)學(xué)模型來解釋整個宇宙，包括重力，以及構(gòu)成物質(zhì)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(xué)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(dú)立發(fā)現(xiàn)了這些“橋”。不幸的是，這個“萬有理論”并不成功，因為這些“橋”的表現(xiàn)并不像是真正的粒子。但是愛因斯坦和羅森在1935年發(fā)表的論文使得“穿越時空結(jié)構(gòu)的隧道”這個概念得以流行，其它物理學(xué)家不得不認(rèn)真地考慮這些隧道帶來的影響。

20世紀(jì)60年代，普林斯頓大學(xué)的物理學(xué)家約翰·惠勒（John Wheeler）在研究“愛因斯坦-羅森橋”的數(shù)學(xué)模型時，創(chuàng)造了“蟲洞”這一術(shù)語。他指出，這些橋很像蟲子鉆過蘋果后留下的洞。一只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。

想象一下在更高維的空間里，如果我們所處的三維時空就像是蘋果皮一樣彎曲著的，那么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(diǎn)之間往返。這聽上去有些奇怪，但從數(shù)學(xué)上來說，這的確是廣義相對論的一個合理的解。

我們能通過由經(jīng)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(zhì)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(xué)家認(rèn)定黑洞是存在的，認(rèn)為大質(zhì)量恒星核心坍縮之后就會形成它們。所以黑洞可以同時是蟲洞，亦即星際旅行之門嗎？數(shù)學(xué)上來說，可能可以——但是沒人能活著完成這次旅行。

在史瓦西模型中，黑洞的核心是一個奇點(diǎn)，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(yuǎn)奇點(diǎn)跨越更高維度相連會發(fā)生什么——形象一點(diǎn)兒說，就是兩個史瓦西黑洞通過隧道相連。他發(fā)現(xiàn)這樣的蟲洞天生就不穩(wěn)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(dú)立的奇點(diǎn)。這個過程非常快，隧道從形成到斷開的時間如此之短，以至于連光都來不及從中穿過。而且如果宇航員想要從中通過的話，必然會遇到其中的一個奇點(diǎn)——這是件必死無疑的事情，因為奇點(diǎn)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(xué)》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(zhuǎn)起來，形成一個克爾黑洞呢？

當(dāng)然我們還有選擇的余地：廣義相對論認(rèn)為還有可能存在一種轉(zhuǎn)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(diǎn)是一個環(huán)。有一些模型認(rèn)為，人可以舒服地從這個環(huán)的中間通過，就像籃球通過籃筐那樣。但是索恩對此觀點(diǎn)有諸多異議。在1987年他發(fā)表的一篇關(guān)于穿越蟲洞的論文中，他提出克爾黑洞的喉部具有一個非常不穩(wěn)定的區(qū)域，叫做柯西視界（Cauchy horizon）。數(shù)學(xué)告訴我們，任何物質(zhì)，包括光，試圖通過這一視界的時候，這個通道都會坍縮。而且即使通過什么特殊的途徑使得這個蟲洞穩(wěn)定下來，量子理論告訴我們蟲洞里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。

那么，如果再加入一些量子理論呢？

現(xiàn)在的關(guān)鍵是，經(jīng)典引力理論尚未與量子理論完美結(jié)合——雖然有很多研究人員試圖搞定它，但是用數(shù)學(xué)來表示量子世界依然很難實現(xiàn)。不過普林斯頓大學(xué)的胡安·馬爾達(dá)西那（Juan Maldacena）和斯坦福大學(xué)的倫納德·薩斯坎德（Leonard Susskind）認(rèn)為，蟲洞可能是量子糾纏態(tài)的物理表現(xiàn)——這種狀態(tài)下的物體不論距離多遠(yuǎn)都是相互關(guān)聯(lián)的。

愛因斯坦曾譏諷量子糾纏為“鬼魅般的超距作用”，并拒絕接受這一理念。但是很多實驗告訴我們量子糾纏是真實存在的——這一現(xiàn)象甚至在商業(yè)上都得以應(yīng)用，例如在銀行交易時用以保護(hù)在線傳輸?shù)陌踩浴８鶕?jù)馬爾達(dá)西那和薩斯坎德的理論，大量的糾纏態(tài)變化會改變時空的幾何形態(tài)，以糾纏態(tài)黑洞的形式形成蟲洞。但是這個版本的蟲洞并不會是星際穿越之門。

“這些蟲洞并不能讓你超光速航行，”馬爾達(dá)西那表示，“但是它可以讓你與蟲洞里的人見面，當(dāng)然得提前警告你們，兩邊的人會同時死于引力奇點(diǎn)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，蟲洞可能是什么？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(xiàn)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(tǒng)一起來，所以我們還不知道能夠形成蟲洞的時空結(jié)構(gòu)都有哪些可能性。”

還有一個問題。索恩在他1987年的工作中發(fā)現(xiàn)，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(fù)能量的“奇異物質(zhì)”支撐著的。他認(rèn)為我們有證據(jù)表明奇異物質(zhì)的存在，因為實驗表明真空中的量子漲落似乎會產(chǎn)生一個負(fù)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(jìn)一步暗示著宇宙中奇異物質(zhì)存在的可能性。

“縱觀宇宙近代史，不難發(fā)現(xiàn)河外星系都在遠(yuǎn)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(rèn)為宇宙中充滿具有負(fù)壓力的物質(zhì)，就可以解釋宇宙的加速擴(kuò)張……就像是我們制造一個蟲洞所需要的那種一樣。”當(dāng)然，這兩位科學(xué)家都認(rèn)為，自然形成一個蟲洞需要的奇異物質(zhì)太多了，而且只有高度發(fā)達(dá)的文明才有可能收集足夠的奇異物質(zhì)，來維持蟲洞的穩(wěn)定。

當(dāng)然其他的物理學(xué)家并不太相信這一觀點(diǎn)。“我認(rèn)為一個穩(wěn)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(xué)定律相違背。”馬爾達(dá)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(jù)表明它（奇異物質(zhì)）存在。實際上很多人都認(rèn)為它不可能存在，因為那樣的話真空就會不穩(wěn)定。”即使奇異物質(zhì)存在，想要漂亮地穿越蟲洞，可能也不是那么容易的事情。實際的效果可能取決于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：“這里發(fā)生的情況可能和在黑洞里發(fā)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(guān)聯(lián)，對于是否存在可以穿越的蟲洞這一問題，索恩依然持悲觀態(tài)度，更不用提宇航員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》的編劇克里斯托夫·諾蘭和喬納森·諾蘭還是得到了索恩的贊賞，努力講述一個植根于科學(xué)事實的故事本身就值得肯定。

“這個故事已經(jīng)徹底成為克里斯托弗和喬納森的故事了。”在接受《連線》雜志采訪時，索恩表示，“但是故事的精髓，拍攝一部從一開始就將科學(xué)植入的電影的這一目標(biāo)，以及這其中了不起的科學(xué)知識，都得以完整的保留。”