《星際穿越》：蟲洞的現實與“傳說”

秦建

從“橋”到“洞”

1915年，阿爾伯特·愛因斯坦提出了廣義相對論。1916年，路德維希·福拉姆發現廣義相對論方程有一個特殊解，可以描述某種穿越時空的“通道”。可惜他的這一發現太過超前，沒有引起注意。1935年，愛因斯坦和內森·羅森計算出同樣的解，由此提出了“愛因斯坦-羅森橋”概念。但當時的研究認為“愛因斯坦-羅森橋”是靜態的，永恒不變的，因此，缺乏研究價值。

《星際穿越》中的蟲洞藝術圖（圖片來源/Wallpaper Abyss）

20世紀年60年代，約翰·惠勒在研究“愛因斯坦-羅森橋”的數學模型時，發現它不是永恒、靜態的，而是會誕生、膨脹、連通和死亡。那它像什么呢？約翰·惠勒想到了一個絕妙的比喻：一只螞蟻從蘋果的一端到另一端，如果繞著蘋果彎曲的表面爬過去，距離就很遠，而咬穿蘋果，從蘋果內部鉆過去，距離就會大大縮短。惠勒由此提出了天體物理學中的“蟲洞”一詞。約翰·惠勒認為，宇宙中有很多相互獨立的奇點，機緣巧合之下，兩個奇點在超空間里連接，形成某種通道。從其中一個奇點進入，幾分鐘或者幾秒鐘后從另一個奇點出來，就抵達了數十甚至數萬光年之外的宇宙。理論上講，惠勒所謂的蟲洞可以在宇宙的任意兩點之間建立聯系。

然而，進一步計算發現，約翰·惠勒蟲洞存在的時間極短，任何東西，包括30萬千米/秒的光，都無法在如此短的時間里從蟲洞的這一端穿越到另一端。

關于蟲洞的研究似乎走進了死胡同。

可穿越蟲洞登場

《星際穿越》中探險隊員乘坐永恒號飛船進行星際航行（圖片來源/Wallpaper Abyss）

約翰·惠勒并沒有因為他計算出的蟲洞無法穿越而灰心。相反，他高興地說，危機是極好的導師。如果我們明智地去探尋，那么便可以領悟更多的物理定律。約翰·惠勒沒有解決的問題，在另一位理論物理學大師那里找到了答案。

卡爾·薩根在1985年出版的科幻小說《接觸》中，提到了一種高速星際旅行方式——黑洞。而基普·索恩認真思考后告訴他，黑洞不行，而蟲洞可以，只要這種蟲洞存在時間足夠長，不會坍塌，不會斷裂，并且可以穿越。根據基普·索恩的建議，卡爾·薩根將蟲洞寫進了《接觸》，這是蟲洞第一次走進科幻小說。此后，蟲洞成為風靡世界的當代科學概念之一。

基普·索恩也由此對蟲洞產生了濃厚的興趣。1987年，基普·索恩和他的兩名研究生一起，在一系列論文中正式提出制造“可穿越蟲洞”的方案。

在普朗克長度（原子核直徑的萬億億分之一）的亞微觀尺度上，時空不再平滑，不可計數的“量子泡沫”會隨機出現、隨機消失，所引起的能量起伏叫做“量子漲落”。量子漲落形成無數極細小的蟲洞，用以連接不同的量子泡沫。但任何可穿行的蟲洞一定是由某種具備負能量的物質支撐著的（這些物質的能量至少要和光束或者近似光速運動的物體穿行蟲洞時所承受的負能量相當），這種具有負能量的物質就是“奇異物質”。但什么是負能量呢？量子漲落具有能量，如果某物質的能量低于周圍空間的量子漲落能量，就說這種物質具有負能量。其實早在1948年，亨德里克·卡西米爾就指出，將置于真空環境中的兩塊平行金屬片不斷接近，它們之間的真空區域將具有“負能量”。雖然目前已經可以在實驗室中制造出少量具有“卡西米爾效應”的奇異物質，但數量極少，無法維持蟲洞的開放。計算表明，維持可穿越蟲洞所需的負能量相當于一顆普通恒星在一年中釋放出的全部能量。

夢還是現實？

基普·索恩為《星際穿越》設計的黑洞效果圖（圖片來源/Wallpaper Abyss）

基普·索恩認為，蟲洞不是可以自然發生的物理現象，它需要超級發達的文明來創造條件實現。所以，《星際穿越》電影中出現了五維生命制造可穿越蟲洞放到土星附近的場景。

飛船進入蟲洞后會看到什么呢？不同長度的蟲洞內部會出現不同的透鏡效果。如果蟲洞太長，那么穿越過程會像穿過一條長長的隧道;如果蟲洞太短，那么又會一晃而過。因此，《星際穿越》中的蟲洞設計為中等長度，既包含了已有蟲洞數值模擬結果的主要特征，又結合了電腦藝術家的抽象演繹，最終向觀眾呈現出永恒號飛船穿越蟲洞的奇幻場景。

2019年9月26日，美國國家航空航天局發布的高分辨率的黑洞扭曲世界可視化效果圖（圖片來源/NASA）

2017年，基普·索恩因在LIGO探測器和引力波觀測方面的決定性貢獻，獲得當年的諾貝爾物理學獎。2019年9月26日，美國國家航空航天局發布的高分辨率的黑洞扭曲世界可視化效果圖，與基普·索恩為《星際穿越》設計的黑洞效果圖如出一轍。那么，會不會有一天，“索恩蟲洞”也會由科幻變為現實呢？

（責任編輯/江盼 美術編輯/張小穗）