蟲洞與星際穿越的探討

張勇

武漢晴川學院物理教研室

蟲洞與星際穿越的探討

張勇

武漢晴川學院物理教研室

關于利用蟲洞進行時間旅行的研究很多，但大多都闡述得深奧難懂。本文通過對文獻的研讀，站在可穿越蟲洞需要的物理條件以及從因果論的角度，試圖用通俗的語言來闡述，利用蟲洞進行時間穿越是不可能實現的。

蟲洞；負能量；因果論；引力

1 蟲洞的概念及其研究發展

蟲洞（Wormhole）是從愛因斯坦的廣義相對論里得到的一個理論結構，指的是連接不同宇宙的時空隧道。研究表明：有可能存在兩類可通過的蟲洞。一類是可長期通過的洛倫茲蟲洞，另一類是可瞬間通過的歐幾里得蟲洞[1]。

蟲洞的歷史已經有100年了。早在1916年愛因斯坦就發現它存在于引力場方程的解中。1957年，惠勒在一篇論文中提到了蟲洞。1985年，美國物理學家薩根的小說《接觸》推動了蟲洞的研究。故事初稿寫的是主人翁通過黑洞穿越回過去的故事。為了讓故事盡可能精確些，在出版前向美國的相對論物理學家索恩求教。索恩知道，利用黑洞穿越回過去幾乎是不可能的。他建議將黑洞改為蟲洞。同時，這一求教，也促使索恩開始重點研究蟲洞問題。1988年，索恩證明了蟲洞在理論上是存在的。2014年，由諾蘭導演的美國科幻大片《星際穿越》，再次掀起蟲洞熱。

2 可穿越蟲洞實現的條件

2.1 蟲洞半徑遠遠大于一光年

為什么蟲洞的半徑必須遠遠大于一光年呢？原因是：飛船要想安全的從蟲洞進出，一方面要求蟲洞的幾何半徑要大于飛船的幾何形狀，另一方面，要求蟲洞給飛船的張力不至于很大。廣義相對論告訴我們，蟲洞是一個空間高度彎曲的結構，對穿過它的物體的張力是非常大的。張力的概念在地球的潮汐里面就能體現出來。我們所熟悉的地球的潮汐，就是由于月亮對地球海水的引力變化引起的。對于月亮如此小的天體且離地球的也如此的遙遠（月亮距離地球平均384,401公里），它的引力尚且能對地球的海水造成如此大的影響，更何況是蟲洞這么一個引力趨于無窮大的結構。換句話說，假設存在一個蟲洞，它的幾何半徑比飛船大，足可以讓飛船穿過。但飛船在接近蟲洞的過程中，受到蟲洞的引力會逐漸增大。尤其是在穿越過程中，飛船受到的張力會急劇上升。在飛船飛行方向，引力會將飛船拉伸，在垂直飛行方向，引力會擠壓飛船。這樣一來，飛船會由于蟲洞的巨大的張力而被撕扯成一長串粒子。這是我們所不想看到的。所以，要想安全通過蟲洞，必須要保證蟲洞的引力不至于太大。那么，多大的蟲洞才剛好可以滿足呢？研究表明，張力與蟲洞半徑的平方成反比[1]。所以，張力要很小的話，只有要求蟲洞的半徑非常非常大。那么，適合作為星際穿越的蟲洞的臨界半徑需要多大呢？計算表明：蟲洞的半徑至少為一光年。

2.2 存在大量的負能量物質

（1）為什么需要負能量物質呢？原因是：索恩和莫里斯的研究表明，要讓蟲洞穩定存在，蟲洞中必須存在負能量物質。因為蟲洞的巨大張力會產生超強的匯聚作用，要想使得蟲洞張開，必須有一種能夠產生與張力相反的起發散作用的物質。負能量物質能夠做到這一點。

那么問題來了：什么是負能量物質呢？所謂負能量，就是指低于真空零點能的能量(為負數)。經典物理學認為，真空是一無所有的，人們通常把真空的能量定為零。而二十世紀初發展起來的量子理論認為，真空是具有很復雜的結構，不再是一無所有，每時每刻都有大量的虛粒子對產生和湮滅。負能量物質不僅僅是理論存在，而且也在實驗中被發現。1948年，一種叫做卡什米爾效應的實驗里面發現了少許負能量。說的是把兩個平行導體板放在真空中，結果發現了導體板之間有一種虛粒子態的能量比真空中更少，出現了負能量。出現負能量的原因是導體板之間有一種微弱的相互作用。

（2）為什么負能量物質必須要大量的才滿足呢？原因是：蟲洞的半徑與所需要的負能量物質的是成正向關系的，換句話說，由于維持宇宙飛船安全通過的臨界蟲洞半徑是1光年，這個半徑對應的負能量物質是一個天文數字。有人估算過，這個負能量物質可以與整個銀河系總質量的100倍相比較。

3 利用蟲洞進行星際穿越的可能性

可穿越蟲洞的前景很是誘人，但依目前的理論來看的話，存在的可能性不大。

3.1 從可穿越蟲洞存在的條件來看

一方面，可穿越蟲洞需要巨大的負能量物質來維持。而目前人們僅僅在微觀領域發現了負能量物質，而且數量都是極其微小的。所以在宏觀上存在巨大的負能量物質基本不可能。

另一方面，半徑遠遠大于一光年的蟲洞才能用做可穿越蟲洞。這么大一個龐然大物，如果存在，早就被人類的儀器監測到了。而目前人類的儀器是如此的發達都沒有能觀測到可穿越蟲洞，從這個角度來說，它是不可能存在的。

3.2 從是否違背因果論的角度看

當代著名相對論物理學家霍金曾指出利用蟲洞回到過去是不可能的。因為這是違背因果論的。他設計了瘋狂科學家的悖論實驗[2]。一名科學家利用蟲洞向一分鐘之前的自己開槍。如果蟲洞存在的話，那一分鐘之前的自己當然會中彈死亡。那么問題來了，既然一分鐘之前的自己已經死亡，那是誰開的槍呢？這是個明顯的悖論。這個悖論的原因就出在設想有這么一個可以看到自己過去的蟲洞。可見，蟲洞的存在是違背因果論的，所以它不可能存在。

綜上所述，用蟲洞進行星際穿越是不肯能的。

[1]趙崢.相對論、宇宙與時空（連載）[J].大學物理，2009,12:58-61

[2]魏然.《時間旅行》的課堂引入與相對論解析[J].大學物理，2016,2:37-38