蟲洞理論：這才是《星際穿越》真正的科學養分

在克里斯托弗·諾蘭簽約導演《星際穿越》這部電影，並開始重寫劇本之前，天體物理學家基普·索恩(Kip Thorne)早已在與諾蘭的弟弟喬納森商討將其黑洞理論搬上熒幕。為確保對「黑洞」描述的準確性和美觀性，從未真正了解代數學的諾蘭也不得不認真琢磨索恩的畢生研究。

基普·索恩/文

從愛因斯坦廣義相對論中推導出時空旅行的可能性，似乎已被大多數人所認識到——很大程度上這得歸功於科幻作品的傳播效應，但事實上對其具體細節的認識則相當模糊和含混的。十年前——也就是1976年，英國培根基金會（Francis Bacon Foundation）還曾懸賞300英鎊來專門徵求一個相關問題的解：「按照目前的理論，轉動黑洞是通往其他時空區域的真實入口，那麼一個飛行器怎樣才能通過一個轉動黑洞進入另一個時空區域，而不被奇點的引力摧毀？」當然，這個問題從未獲得過圓滿解決。薩根不是相對論專家，他對自己設置的利用黑洞作為時空旅行手段的技術細節並不是太有把握，為了尋找科學上能站住腳的依據，他向著名物理學家基普·索恩（Kip. S. Thorne）求助。儘管之前已有哥德爾等一些科學家從愛因斯坦場方程中得到允許時空旅行的解，但更多的物理學家則把時空旅行和科幻小說中的流行情節一樣對待——差不多歸入UFO一類，你可以興意盎然地去閱讀，但如果把它納入物理學範疇來進行探討，那無異於進行學術冒險--更為保守的物理學家則根本就把它看作無稽之談。所以，當索恩欣然應允薩根的要求時，還真需要點特立獨行的勇氣才行。索恩和他的學生經過論證得出結論，進入黑洞的所有物體都會被強大的潮汐引力撕得粉碎，作為時空旅行手段這是不可跨越的障礙，並建議薩根在小說中，把黑洞改稱「蟲洞」。「蟲洞」的性質很早就被發現了：1916年，愛因斯坦廣義相對論發表後的幾個月，史瓦西在愛因斯坦引力場方程里發現了一個解——著名的史瓦西解，同年，弗拉姆（Ludwig·Flamm）對其數學推導過程進行重新詮釋以後，揭示出它的蟲洞本質——它事實上是描述了空的球形蟲洞。1935年，愛因斯坦和其學術助手羅森在一篇論文中，把連接宇宙中兩個遙遠區域之間的假想通道稱為「橋」——後來這被稱為愛因斯坦—羅森橋，其實也就是「蟲洞」。薩根的小說中，地球距離織女星是26光年，但若通過一條蟲洞連接它們的話，也許就才1公里。但是，以蟲洞作為時間機器，也還面臨一個棘手問題：按照愛因斯坦場方程的預言，蟲洞在某個時刻產生，短暫地打開，然後關閉、消失--從產生到消失，時間極短，沒有事物能在這麼段的時間內從一個洞口穿過它到達另一個洞口。除了因為無法從自然界推導出蟲洞的生成方式外--而黑洞則已被證明是恆星的坍塌結果，這也是物理學界長期對蟲洞報以懷疑態度的另一個主要原因。索恩最終設想以具有「負能量密度」的奇異物作為保持蟲洞持續開放的物質條件，並把實現條件設置在高級智慧生物無限先進的文明背景下。換言之，索恩在這個問題上考慮的主要是數理上的自洽性，而非現實可能性。索恩把這一系列和時空旅行相關的研究成果，以論文形式主要發表在頂級的物理學雜誌《物理學評論》上，這樣的雜誌每年都會收到大量宣稱製造出時間機器的文章，但從來沒有一篇被接受發表過，因為它們沒有建立在愛因斯坦場方程上的嚴密推導過程，而索恩的這些論文則很好的滿足這一條件。所以，即便是像《蟲洞、時間機器和弱能量條件》這樣的論文，儘管文章摘要讓人感覺科幻味兒十足：「本文討論的是，如果物理法則允許一個高級文明智慧生物在空間中製造和維持一個蟲洞，那麼這個蟲洞將被改造成違背因果律的時間機器用於星際航行」，題目中也直接就有「時間機器」的字樣，但最後還是被接受發表——在此之前，為了避免引人注目並被冠以「科幻物理學家」的頭銜，科學家們在參與時空旅行的相關討論時，通常都把「時間機器」說成「類時閉合曲線」（ closed time-like curve）。對那些有興趣研究時空旅行的物理學家而言，索恩對時空旅行研究取得的進展無疑令人鼓舞，一些人在之後開始參與其中，他們中有俄籍物理學家諾維柯夫、普林斯頓大學的理查德·高特以及史蒂芬·霍金。不過，值得一提的是，很多物理學家還是一如既往拒絕討論和時空旅行相關的任何問題。但無論如何，薩根不曾預料到，他當初的這一提問會在科學領域內打開這樣的局面，引發物理學界對時空旅行新的關注，其中，維持蟲洞持續開放的奇異物質的相關研究甚至成為該領域內的一個重要課題。科學家認為，相對於產生能量的「正物質」，「反物質」也擁有「負質量」，可以吸去周圍所有能量。像「蟲洞」一樣，「負質量」也曾被認為只存在於理論之中。不過，目前世界上的許多實驗室已經成功地證明了「負質量」能存在於現實世界，並且通過航天器在太空中捕捉到了微量的「負質量」。 據美國華盛頓大學物理系研究人員的計算，「負質量」可以用來控制「蟲洞」。他們指出，「負質量」能擴大原本細小的「蟲洞」，使它們足以讓太空飛船穿過。他們的研究結果引起了各國航天部門的極大興趣，許多國家已考慮撥款資助「蟲洞」研究，希望「蟲洞」能實際用在太空航行上。

宇航學家認為，「蟲洞」的研究雖然剛剛起步，但它潛在的回報，不容忽視。科學家認為，如果研究成功，人類可能需要重新估計自己在宇宙中的角色和位置。現在，人類被「困」在地球上，要航行到最近的一個星系，動輒需要數百年時間，是目前人類不可能辦到的。但是，未來的太空航行如使用「蟲洞」，那一瞬間就能到達宇宙中遙遠的地方。

據科學家觀測，宇宙中充斥著數以百萬計的「蟲洞」，但很少有直徑超過10萬公里的，而這個寬度正是太空飛船安全航行的最低要求。「負質量」的發現為利用 「蟲洞」創造了新的契機，可以使用它去擴大和穩定細小的「蟲洞」。 科學家指出，如果把「負質量」傳送到「蟲洞」中，把「蟲洞」打開，並強化它的結構，使其穩定，就可以使太空飛船通過。 蟲洞，這個科幻園地中的主題，今天已從紙面躍出，成為天文學家搜索的目標。蟲洞為何那麼吸引人？因為它為星際航行提供了一條捷徑。例如從地球飛往最近的鄰居——半人馬座——比鄰星，將要飛奔4光年的旅程，而通過蟲洞，卻只需幾小時就夠了。 其實，遠在廣義相對論發表後不久，科學家就在理論上發現了蟲洞的存在，但此後，對它的研究進展很慢，它的不少性質仍然十分模糊。例如，它僅能讓光線通過？ 抑或也可使飛船穿行？直到1988年，美國加州工學院的桑恩等人，對蟲洞作了較為深入的研究，才肯定蟲洞的兩端皆可出入，並非像黑洞那樣是「單行道」。此外，旅行者在洞內僅受到一般的加速度。不像在黑洞中，若你的腳指向黑洞中心，那麼，巨大的引力場會在頭足之間構成極大的拉力差，足可把身首撕開。桑恩還提出了構造蟲洞的概念，當然是理論上的。他說，這涉及到對宏觀空間的挖破和扭曲。生活在二維空間（如紙面）的智慧螞蟻，它想從紙面上的一點走到另一點，按常規，只有一種辦法，即沿著連接該兩點的直線走去，這也是兩點間的最短距離。但還有一種距離更短的走法：把紙對摺成兩面，使兩點靠得很近，再用一個紙筒（它提供了通過第三維的一條捷徑）將兩點接通，螞蟻可經紙筒而到達彼點。為此，螞蟻必須在紙面上挖出兩個孔。在這一例中，紙筒十分類似於通過更高強空間的蟲洞。故欲構築蟲洞，必撕破空間。 空間不是空空的嗎，怎樣去撕破，挖孔？實難想像。但相對論早就告訴我們，引力能彎曲空間。桑恩說，空間的裂口處，時空會出現陡峭的勢態，就如黑洞中心的那種情況。但他承認，由於沒有一個成熟的量子引力理論，對這個問題很難深入討論下去。

從理論可知，蟲洞內的空間被扭曲得極不自然，以致無法使它保持暢通，即使能開通，也只是一瞬間。但蟲洞卻可讓奇異物質通過，為何奇異物質受此優待呢？這還得從相對論談起。 愛因斯坦認為，引力來自物質的兩種全然不同的性質。一種是大家熟知的，質量密度越大，引力場也越強，由於物質的質量跟能量是等價的，故可說，能量密度（單位體積內所含的能量）對引力作出貢獻；另一種是物質對周圍所施加的壓力，就像氣體對容器壁所做的那樣，但是這種壓力原則上可正可負。 若跟物質內所含的能量相比，這種壓力就小得微不足道。但桑恩說，有一種物質卻具有極大的負壓，奇異物質就明顯地具有這種特性，且其負壓之大，超過了它的能量密度。從而使得奇異物質周圍的空間，被扭曲得十分奇怪，跟一般物質的扭曲情況相比，正好改變了空間扭曲的「符號」，具體地說，其引力具有排斥性。 按現代宇宙學理論，在宇宙創生後立即驅使宇宙急速膨脹的力，正是「奇異」真空的具有極大負壓的排斥性引力。宇宙暴脹可能提供一種保持蟲洞開放的手段。一些物理學家認為，暴脹可能造成「宇宙繩」環（宇宙理論中的一種物質），當量子蟲洞和宇宙繩環同時暴脹時，有可能產生宏觀的開通的蟲洞。此外，他們還相信，先進文明所創造的人工蟲洞，可能用奇異物質的「支柱」來保持蟲洞的暢通。故桑恩的蟲洞，可謂之奇異物質蟲洞。科學家麥可思還提出了磁蟲洞理論。他說，極強烈的磁場將能彎曲時空而形成蟲洞。根據相對論，任何含有能量的東西（包括磁場），皆能彎曲空間。遠在20年代，一位義大利理論家萊特，就在愛氏方程中找到了磁引力。 萊特的理論說，在一個由螺線管產生的磁場中，螺線管內形成了一個引力磁，但要獲得這種人工引力場，磁場需十分巨大。據麥可思說，萊特的磁引力跟桑恩的蟲洞極相似。麥可思說：「其理論的實際意義，就是一個磁蟲洞。」他說，若在實驗室內用2.5T（特斯拉）的磁場，即可構造出一個磁蟲洞，洞的半徑極大，約為150光年，若欲將此蟲洞的半徑壓縮到實驗室的尺度，則所施加的磁場需大到10億T，這顯然超出目前人類的科技能力（最大人工磁場約10T）。但麥可思說，在天空中必定能找到這種磁蟲洞，因為中子星表面的磁場達10億T，在那裡，磁蟲洞將自發地產生。 磁蟲洞有一個優點，按麥可恩的說法，它比較容易測量驗證。由於磁引力也將影響光線，「在引力場中，光速將減慢。若光線通過螺線管時，其速度低於真空中的光速」，即可證明磁蟲洞的存在。不論奇異物質蟲洞或磁蟲洞，只要存在於天空之中，就能從地球上測得它們的特徵性信號。若一個蟲洞嘴處在地球和某一恆星之間，那麼蟲洞的引力將引起這一恆星的光產生異常的波動，將使我們看到一個兩邊特別明亮中間較暗（星光）R光學像。為何如此奇怪？這要談到負（質量）物質和引力透鏡。據俄科學家諾朱可夫的理論，當物體進入蟲洞，「入口」處明顯地增大質量，而同時在「出口」處，則立即失去對應的這份質量。即使此物體已穿出蟲洞，也仍會留下這些痕迹：蟲洞的一邊將保持其已獲得的質量，而另一邊最終則呈現負質量。 負（質量）物質具有明顯的特性，它只具有排斥性引力，因而能將其周圍的任何物質都向四周掃出，且對光線的運動造成極大的扭曲。通常的物質（即正質量物質），若正好通過地球與某一恆星之間，其引力將彎曲和放大這一恆星向地球射來的星光，很像一個聚光鏡的行為。天文學上稱之「引力透鏡」效應。具體地說，我們這時將看到這一恆星星光比平時亮得多。若這個經過地球恆星間的天體，是由負物質構成的，那又將如何？它也將彎曲星光，但由於其具有排斥性引力，故彎曲星光的情況迥然不同。星光經它身旁時，會出現所謂焦散現象，即星光從透鏡（負物質天體）的軸線處被推出，而在兩邊上聚焦。這意味著，當負物質天體運動在地球與某一恆星之間時，我們將看到，這個恆星不是像平時那樣的一個光點，而是在亮度上出現兩個突然增亮的跳躍。這種「雙峰」 亮度特徵信號是十分明顯的，故為探測出蟲洞提供了一個方便之門。

尋找穿越第四維的通道

在科學界，時間旅行一度被認為是歪理學說。過去因為擔心有人會把怪人的標籤貼在自己身上，我對這個問題常常避而不談。但現在，我不會再那麼謹小慎微了。事實上，我更像是建造了巨石陣的那些人。我對時間痴迷已久，如果有一台時間機器，我會去拜訪風華正茂的瑪麗蓮-夢露，或是造訪將望遠鏡轉向宇宙的伽利略。或許，我還會走到宇宙的盡頭，破解整個宇宙湮滅之謎。　　為了讓這一切從虛幻變成現實，我們應以物理學家的角度來重新審視時間——即第四維。這個問題沒有聽上去那麼晦澀難懂。每個好學的孩子都知道，任何物體都以三維形式存在，包括坐在輪椅上的我。一切物體都有寬度、高度和長度。此外，還有一種長度——時間的長度。例如，雖然一個人可能活了80歲，但巨石陣的石頭卻數千年屹立不倒。太陽系的運行將持續數十億年。一切物體都有時間以及空間的長度。時間旅行意味著我們要經過第四維。要想搞明白這一點，我們可以想像正在從事一種日常活動，比如開車。開車沿直線行駛，是在一維中旅行。向左轉或是向右轉，則是二維旅行。驅車上下山路意味著又多增加了高度，所以是在三維空間內。那麼我們怎樣才能實現時間旅行？怎樣才能發現穿越第四維的通道呢？

讓我們暫時從科幻電影中尋找答案吧。在此類電影中，通常會有一台巨大而高能耗的時間機器，這台機器產生通往第四維的通道——「時光隧道」。時光旅行者——勇敢但可能有些魯莽的人，做好我們大家所知道的準備，然後走進時光隧道，來到一個他們想要到達的時間裡。這一概念可能有些牽強，事實可能與之存在著天壤之別，但該想法本身不是那麼的瘋狂。物理學家們也在思考時光隧道，但我們的角度不同。我們想搞清過去或未來的通道是否存在於自然規律中？事實證明，我們認為確實是這樣的。而且，我們還給它們起了一個名字：蟲洞。其實，蟲洞無處不在，只是因為太小，我們肉眼看不到罷了。蟲洞非常小，存在於時空的隱蔽處和縫隙里。你或許認為這是一個難以理解的概念，請耐心聽我繼續解釋吧。任何物質都不是平整無暇和實心的，如果仔細觀察，會發現它們上面都存在小孔和裂縫，這是一個基本的物理原理，同樣適用於時間。即便是像撞球一樣的東西，上面也有裂縫、褶皺或空洞。現在容易說明這種情況也存在於第一個三維中。相信我，這一原理同樣適用於第四維。時間也存在許多微小的裂縫、褶皺和空洞。在最小的刻度下——比分子甚至原子都小，我們來到一個稱為量子泡沫（quantumfoam）的地方，這是蟲洞存在之處。時空中的微小隧道或捷徑不停地在這個量子世界中形成、消失和重新形成。它們可以連接兩個隔離的空間以及兩個不同的時間。不幸的是，現實生活中這種時光隧道非常狹小，即使發現了它們，我們也不能從這個縫隙穿過——可這正是「蟲洞時間機器」概念的前進方向。部分科學家認為，或許有一天捕捉到一個蟲洞，將它放大數萬億倍，令其足夠的大，能讓人甚至飛船進入。如果我們擁有足夠的能量和先進的技術，將來或許甚至能在太空中建造一個巨型蟲洞。我並不是說一定可以做到，但如果真的有這種裝置，那麼確實很了不起。一端在地球的附近，另一端則在遙遠的星球附近。從理論上講，蟲洞或時光隧道不僅僅能把我們帶到別的星球。如果兩端在同一個地方，且由時間而非距離分離，在遙遠的過去，飛船就能在地球附近自由出入。或許恐龍會看到飛船登陸的場景。

（本文節選自《黑洞與時間彎曲》，基普.S.索恩著。由「北大物理人」微信平台授權刊發。）

基普·S·索恩（Kip Stephen Thorne ，1940年6月1日—）是美國理論物理學家，他的主要貢獻在於引力物理和天體物理學領域.很多活躍於相關領域的新一代科學家都曾經過他的培養和訓練。索恩和英國物理學家斯蒂芬·霍金，以及美國天文學家、科普作家、科幻小說作家卡爾·薩根保持了長期的好友和同事關係。他目前擔任加州理工學院費曼理論物理學教授，是當今世界上研究廣義相對論下的天體物理學領域的領導者之一。

基普·索恩擔任影片《星際穿越》的科學顧問，《星際穿越》上映前後，「諾蘭的Group」會至少發兩篇論文，一篇黑洞物理，一篇計算機圖形。

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