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圖片來(lái)源：pixabay

撰文 | 張華

以前說(shuō)到蟲(chóng)洞，大都與星際旅行這個(gè)話(huà)題有關(guān)。因?yàn)橛钪嫣?，而人?lèi)的飛行器速度太慢，我們的壽命也很短，所以要跨越遙遠(yuǎn)的星際空間幾乎是不可能完成的任務(wù)。比如距離太陽(yáng)最近的恒星位于半人馬座，與我們大約相隔4光年，就算以光速的百分之一飛行，也要需要400年時(shí)間才能抵達(dá)這里；而太陽(yáng)距離銀河系中心則是26 000光年，所以在當(dāng)前的技術(shù)水平下，前往銀河系中心幾乎是一個(gè)遙不可及的夢(mèng)想。最近人類(lèi)拍攝到的第一張黑洞照片，則位于距離太陽(yáng)系5500萬(wàn)光年的遙遠(yuǎn)星空，人類(lèi)的肉身怎么可以穿越這遙遠(yuǎn)的星辰大海？

于是，大家總是說(shuō)，想要穿越遙遠(yuǎn)的星際空間，只能依靠蟲(chóng)洞。但是，最新的蟲(chóng)洞研究告訴我們，通過(guò)蟲(chóng)洞實(shí)現(xiàn)星際旅行可能并不是最佳選擇。

要理解最新的蟲(chóng)洞研究，需要先看看蟲(chóng)洞研究的歷史。

1935年，愛(ài)因斯坦與羅森在研究廣義相對(duì)論的時(shí)候發(fā)現(xiàn)了“愛(ài)因斯坦與羅森橋”，這是一種不可穿越的蟲(chóng)洞——所謂“不可穿越”，就是不能在有限的時(shí)間內(nèi)通過(guò)這個(gè)蟲(chóng)洞，所以這種蟲(chóng)洞在現(xiàn)實(shí)中并沒(méi)有實(shí)際意義。

這種尷尬的局面一直持續(xù)了整整50年才有所改變。1985年，美國(guó)康奈爾大學(xué)的天文學(xué)家與科學(xué)作家卡爾·薩根（Carl Edward Sagan）寫(xiě)了一本科幻小說(shuō)《接觸》(Contact)。這部小說(shuō)描述了人類(lèi)通過(guò)蟲(chóng)洞穿越到了距地球 26 光年的織女星附近，然后與外星文明接觸，最后順利返回地球。

這部小說(shuō)可以看成是人類(lèi)第一次提出了“可穿越蟲(chóng)洞”的概念——所謂“可穿越蟲(chóng)洞”，意思就是說(shuō)人類(lèi)可以在有限的時(shí)間內(nèi)穿越蟲(chóng)洞并返回。

在寫(xiě)這部小說(shuō)的過(guò)程中，卡爾·薩根一開(kāi)始也對(duì)這個(gè)領(lǐng)域也沒(méi)有太多研究，他錯(cuò)誤地把蟲(chóng)洞寫(xiě)成了黑洞。但他請(qǐng)教了他的一位老朋友——加州理工學(xué)院的物理學(xué)家基普·索恩（Kip Thorne）教授，后者建議他把黑洞換成蟲(chóng)洞來(lái)作為星際旅行的工具。

在和卡爾·薩根交流時(shí)，索恩知道黑洞不能用于星際旅行，于是他想到了他的導(dǎo)師約翰·惠勒（John Wheeler）在十幾年前提出的“蟲(chóng)洞”概念。

但惠勒的蟲(chóng)洞概念也僅僅是一個(gè)概念，沒(méi)有任何物理計(jì)算細(xì)節(jié)。所以索恩與他的學(xué)生邁克·莫里斯（Mike Morris）一起，開(kāi)始用正統(tǒng)的廣義相對(duì)論知識(shí)對(duì)蟲(chóng)洞物理學(xué)展開(kāi)研究，并在兩年后發(fā)布了研究論文。這篇論文發(fā)表在《美國(guó)物理雜志》（American Journal of Physics）上，標(biāo)題是“時(shí)空中的蟲(chóng)洞及它們?cè)谛请H旅行中的應(yīng)用：講授廣義相對(duì)論的工具”（Wormhole in spacetime and their use for interstellar travel: A tool for teaching general relativity）。

這張圖片來(lái)自索恩的蟲(chóng)洞論文，直線(xiàn)表示蟲(chóng)洞的一個(gè)入口在時(shí)空中的軌跡（世界線(xiàn)），曲線(xiàn)是蟲(chóng)洞的出口在時(shí)空中的軌跡。世界線(xiàn)上的阿拉伯?dāng)?shù)字表示出口與入口當(dāng)?shù)氐臅r(shí)間。

蟲(chóng)洞是連接出口與入口的一個(gè)隧道，在索恩的蟲(chóng)洞模型中，蟲(chóng)洞很短，穿越這個(gè)蟲(chóng)洞所需要的時(shí)間可以近似為零。在這種情況下，當(dāng)一個(gè)人從蟲(chóng)洞的入口進(jìn)入，再?gòu)南x(chóng)洞的出口出來(lái)，隨后他在沿著蟲(chóng)洞返回入口，他有可能穿越到自己的過(guò)去，這將引起祖父悖論。

索恩與他的學(xué)生在論文中提出的觀點(diǎn)大致是這樣的：愛(ài)因斯坦的引力場(chǎng)方程的左邊是空間曲率，而右邊是能量動(dòng)量張量。對(duì)愛(ài)因斯坦引力方程的分析表明，要想產(chǎn)生可穿越的蟲(chóng)洞，引起這種時(shí)空彎曲的物質(zhì)所對(duì)應(yīng)的能量動(dòng)量張量必須違反平均類(lèi)光能量條件。也就是說(shuō)，想要制造出一個(gè)人類(lèi)可以往返穿越的蟲(chóng)洞，必須消耗巨大的負(fù)質(zhì)量物質(zhì)來(lái)?yè)巫∵@個(gè)隧道——否則這個(gè)隧道很容易“塌方”。根據(jù)愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論，質(zhì)量與能量是等價(jià)的，所以負(fù)質(zhì)量意味著負(fù)能量——但宇宙中根本就不存在大規(guī)模的負(fù)能量，所以要想打開(kāi)可穿越的蟲(chóng)洞似乎是不可能的。

根據(jù)廣義相對(duì)論，違反平均類(lèi)光能量條件是所有可穿越蟲(chóng)洞的先決條件。換句話(huà)說(shuō)，如果要想穿越蟲(chóng)洞，相當(dāng)于要求經(jīng)過(guò)蟲(chóng)洞的類(lèi)光測(cè)地線(xiàn)（也就是以光速運(yùn)動(dòng)的粒子）不能在蟲(chóng)洞里匯聚，而這需要用到印度的一位著名物理學(xué)家瑞查德符里（Amal Kumar Raychaudhuri）提出的方程。通過(guò)瑞查德符里的方程可以看出，在蟲(chóng)洞中，光線(xiàn)只有在物質(zhì)場(chǎng)的能量動(dòng)量張量違反平均類(lèi)光能量條件下才不會(huì)撞上奇點(diǎn)——在這種情況下，聚焦在蟲(chóng)洞一端的光線(xiàn)在離開(kāi)蟲(chóng)洞的另一端時(shí)會(huì)散開(kāi)，這樣才可以順利從蟲(chóng)洞中逃出來(lái)。

但是，這個(gè)世界上不存在違反平均類(lèi)光能量條件的物質(zhì)。因此，在這個(gè)意義上，蟲(chóng)洞就算能因?yàn)榱孔有?yīng)瞬間產(chǎn)生，也往往會(huì)自毀。正因?yàn)橄x(chóng)洞天生就喜歡自我崩塌，所以到了后來(lái)，索恩也感覺(jué)到蟲(chóng)洞很難實(shí)現(xiàn)，甚至不可能存在，于是他說(shuō)“蟲(chóng)洞需要有高級(jí)文明有意識(shí)的去創(chuàng)造和維持。”隨后，索恩就去研究引力波了。

最近幾十年來(lái)，索恩把興趣點(diǎn)從蟲(chóng)洞研究轉(zhuǎn)移到了引力波探測(cè)，并且在2017年因?yàn)槿祟?lèi)首次探測(cè)到引力波獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

但蟲(chóng)洞的研究并沒(méi)有停止。而且，蟲(chóng)洞研究的基本思想在近10年已經(jīng)發(fā)生了很大的改變。

蟲(chóng)洞研究的新思想來(lái)源可以概括為一個(gè)物理公式，那就是由普林斯頓高等研究院的胡安·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）在2013年提出的“ER = EPR”。這個(gè)公式第一次把蟲(chóng)洞與量子糾纏聯(lián)系在了一起。

ER 的全稱(chēng)為 Einstein-Rosen（愛(ài)因斯坦-羅森）橋，這在本文一開(kāi)始我們已經(jīng)提到過(guò)。這是愛(ài)因斯坦和納森·羅森（Nathan Rosen）在研究廣義相對(duì)論方程時(shí)提出的一種不可穿越的蟲(chóng)洞。

而 EPR 則是 Einstein-Podolsky-Rosen（愛(ài)因斯坦－波多爾斯基－羅森）這三位科學(xué)家的姓名的首字母縮寫(xiě)。波多爾斯基（Boris Podolsky）是一名俄籍美國(guó)物理學(xué)家。EPR 在物理中描述的是一對(duì)相互糾纏的粒子。

本來(lái)，ER與這 EPR兩個(gè)概念風(fēng)馬牛不相及，因?yàn)閻?ài)因斯坦-羅森橋是描述大尺度宏觀現(xiàn)象的廣義相對(duì)論的產(chǎn)物，而 EPR 對(duì)則是對(duì)微觀世界的量子糾纏行為的描述，而且量子糾纏在大尺度上很容易因?yàn)橥讼喔啥А?/p>

但到了2013年，曾因提出ADS/CFT對(duì)偶理論而名聲大噪的馬爾達(dá)西那與薩斯坎德拋出了重磅炸彈“ER = EPR”。如果把黑洞視為量子系統(tǒng)而不是經(jīng)典物體，那么就可能出現(xiàn)由兩個(gè)高度糾纏的黑洞組成的系統(tǒng)。對(duì)這種糾纏態(tài)進(jìn)行仔細(xì)研究，就會(huì)發(fā)現(xiàn)這種糾纏態(tài)對(duì)應(yīng)的時(shí)空可以看成一個(gè)不可穿越的蟲(chóng)洞連接了兩個(gè)黑洞，這就是“ER = EPR”的真正含義。

繪圖：Malcolm Godwin

值得注意的是，ER與EPR 這兩篇論文的作者里，都有愛(ài)因斯坦和羅森，而且都是在1935年發(fā)表的，前后相差2個(gè)月。更加令人驚訝的是，80年后，馬爾達(dá)西那與薩斯坎德發(fā)現(xiàn)，這兩篇文章本質(zhì)上說(shuō)的是同一件事情。他們推測(cè)，任何一對(duì)糾纏量子系統(tǒng)都是由愛(ài)因斯坦-羅森橋（不可穿越蟲(chóng)洞）連接的。

在ER=EPR的基礎(chǔ)上，哈佛大學(xué)的丹尼爾·賈弗里斯（Daniel Jafferis）與高蘋(píng)，以及來(lái)自斯坦福大學(xué)的阿倫·沃爾（Aron Wall）開(kāi)始了新蟲(chóng)洞研究。高蘋(píng)是一位年輕的中國(guó)科學(xué)家，他從清華大學(xué)物理系畢業(yè)后，就去了哈佛大學(xué)物理系攻讀博士學(xué)位。

賈弗里斯、高蘋(píng)以及沃爾提出的蟲(chóng)洞方案與索恩的不同，前者的新蟲(chóng)洞不適合長(zhǎng)距離的星際旅行，因?yàn)樗麄兯坍?huà)的蟲(chóng)洞連接的是兩個(gè)距離很近的黑洞。而且，“穿過(guò)這些蟲(chóng)洞比直接旅行更慢”。他們對(duì)長(zhǎng)距離的星際旅行持悲觀態(tài)度。

但有一點(diǎn)是可以肯定的，那就想要打開(kāi)可穿越的蟲(chóng)洞，必須有大量的負(fù)質(zhì)量。問(wèn)題的關(guān)鍵在于，負(fù)質(zhì)量物質(zhì)從什么地方來(lái)。

負(fù)質(zhì)量在經(jīng)典物理學(xué)的意義上是不可能出現(xiàn)的，但是，量子力學(xué)卻可以產(chǎn)生負(fù)質(zhì)量。最著名的例子是卡西米爾效應(yīng)——比如兩塊平行金屬板之間的電磁真空狀態(tài)，理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果都表明，金屬板之間的真空態(tài)具有負(fù)能量，這被稱(chēng)為卡西米爾能量。這種負(fù)能量可以被視為負(fù)質(zhì)量。因此，卡西米爾效應(yīng)說(shuō)明，量子力學(xué)可以實(shí)現(xiàn)負(fù)質(zhì)量，并有助于創(chuàng)造一個(gè)可穿越的蟲(chóng)洞。正如前文描述的那樣，可穿越蟲(chóng)洞的技術(shù)細(xì)節(jié)是要得到一個(gè)違反平均類(lèi)光能量條件的能量動(dòng)量張量，換句話(huà)說(shuō)，可穿越蟲(chóng)洞的維持要求具有負(fù)的平均類(lèi)光能量的物質(zhì)場(chǎng)（因?yàn)楦鶕?jù)愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論，物質(zhì)場(chǎng)引起時(shí)空的彎曲）。

三年前，賈弗里斯、高蘋(píng)與沃爾研究了兩個(gè)永恒的BTZ黑洞邊界的相互作用之后，他們發(fā)現(xiàn)了在這里可以產(chǎn)生一個(gè)具有負(fù)平均類(lèi)光能量的量子物質(zhì)能量動(dòng)量張量，這個(gè)情況等價(jià)于出現(xiàn)了負(fù)質(zhì)量，所以其反引力作用可以使愛(ài)因斯坦-羅森橋勉強(qiáng)可穿越（BTZ黑洞是一種反德西特時(shí)空中的二維黑洞，但他們的結(jié)論對(duì)三維空間中的黑洞同樣成立）。這時(shí)，蟲(chóng)洞就是可穿越的，如果一個(gè)人跳進(jìn)一個(gè)黑洞，他可以從另一個(gè)黑洞逃脫。

高蘋(píng)在接受采訪(fǎng)時(shí)說(shuō)，“量子糾纏等價(jià)于不可穿越的蟲(chóng)洞，但加上負(fù)質(zhì)量物質(zhì)后，這個(gè)蟲(chóng)洞就變得可穿越了。所以?xún)蓚€(gè)黑洞實(shí)際上在視界之后是連接起來(lái)的。如果一個(gè)人跳進(jìn)第一個(gè)黑洞的時(shí)候速度足夠快，那么它實(shí)際上很接近第二個(gè)黑洞的視界，雖然這個(gè)人還在黑洞里面。然后，我們用量子的相互作用產(chǎn)生負(fù)能量的物質(zhì)，當(dāng)這個(gè)負(fù)能量的物質(zhì)進(jìn)入黑洞的時(shí)候，在黑洞里的人一旦碰到負(fù)能量物質(zhì)，他就可以被推出來(lái)?！?/p>

高蘋(píng)強(qiáng)調(diào)，雖然這兩個(gè)黑洞在空間上的距離很近，但實(shí)際上連接它們的蟲(chóng)洞非常長(zhǎng)。

在傳統(tǒng)的蟲(chóng)洞研究中，一個(gè)核心的問(wèn)題在于，如果一個(gè)人穿越蟲(chóng)洞的時(shí)間太短，而在空間上移動(dòng)很大的距離。比如在1秒鐘內(nèi)從地球穿越到了銀河系中心，那么這在外部世界看來(lái)就是超光速的運(yùn)動(dòng)。這種穿越行為一定會(huì)違反相對(duì)論的因果性，最后產(chǎn)生悖論。

1988年，索恩證明了如果蟲(chóng)洞很短，那么人就通過(guò)蟲(chóng)洞回到過(guò)去。這是一個(gè)非常有趣的結(jié)果，但這會(huì)引發(fā)悖論。因?yàn)槿绻ㄟ^(guò)蟲(chóng)洞的時(shí)間很短，那么根據(jù)簡(jiǎn)單的狹義相對(duì)論就可以證明利用蟲(chóng)洞就可以做出時(shí)間機(jī)器回到過(guò)去，但這個(gè)時(shí)候會(huì)產(chǎn)生因果性的問(wèn)題，比如一個(gè)人可以回到過(guò)去殺了祖父，這樣就會(huì)產(chǎn)生“祖父悖論”。

“祖父悖論”說(shuō)的是，假如一個(gè)叫小王的人可以回到過(guò)去，那么他就可以殺死自己的爺爺，當(dāng)時(shí)他爺爺還只是一個(gè)兒童，沒(méi)有結(jié)婚生子，所以小王的父親就不會(huì)出生，因此小王沒(méi)有父親，小王也不能出生，那他又是怎么回到過(guò)去殺死自己的爺爺?shù)哪?？因此這是一個(gè)悖論。這個(gè)悖論說(shuō)明，回到過(guò)去是不可能的。

因此，從祖父悖論這種邏輯推理可以看出，可穿越的蟲(chóng)洞就算存在，也一定要避免產(chǎn)生祖父悖論這樣的因果性疑難。

賈弗里斯、高蘋(píng)和阿倫·沃爾的理論是通過(guò)一些量子效應(yīng)，使得不可穿越的蟲(chóng)洞變得可以穿越，但他們的新蟲(chóng)洞并沒(méi)有破壞因果性，因?yàn)?strong>在他們的模型中，蟲(chóng)洞非常長(zhǎng)，在蟲(chóng)洞里旅行需要花費(fèi)很長(zhǎng)的時(shí)間——因?yàn)樵谙x(chóng)洞中穿行的時(shí)間比在蟲(chóng)洞外更長(zhǎng)，所以這不會(huì)引起祖父悖論。

高蘋(píng)在接受采訪(fǎng)時(shí)表示，“兩個(gè)黑洞可以由蟲(chóng)洞連接，這兩個(gè)黑洞之間的距離很近，同時(shí)它們之間存在很強(qiáng)的量子糾纏。我們的研究表明，連接這兩個(gè)黑洞的蟲(chóng)洞非常長(zhǎng)，人類(lèi)在這個(gè)蟲(chóng)洞中旅行需要花費(fèi)很長(zhǎng)的時(shí)間，所以在蟲(chóng)洞中躲避星際戰(zhàn)爭(zhēng)是可能的?！?/p>

因此，新蟲(chóng)洞并不是做星際旅行的最佳選擇，相反，新蟲(chóng)洞可以被看成是一個(gè)世外桃源，是一個(gè)可以長(zhǎng)時(shí)間呆在里面躲避外部星際戰(zhàn)爭(zhēng)的桃花島。