利用蟲洞實(shí)現(xiàn)星際旅行是一種最快的方式，也許它很快就不再是科學(xué)幻想！
星際探險(xiǎn)是人類恒久的夢(mèng)想。我們一直渴望能夠站立在其他行星上，與外星文明進(jìn)行接觸，并假定它們是友好的。但是我們的這個(gè)夢(mèng)想一直被阻擋在空間旅行所要面臨的諸多局限跟前。
阿波羅計(jì)劃，是迄今為止人類唯一一次親身前往其他世界的任務(wù)，宇航員用了三天多的時(shí)間，才得以到達(dá)月球。而以同樣的速度前往距離太陽最近的恒星——比鄰星，需要數(shù)百萬年。
我們能夠想像推進(jìn)技術(shù)的進(jìn)步能夠?qū)F(xiàn)在這種慢悠悠的速度提升到一個(gè)新的級(jí)別；但是還有數(shù)以百萬計(jì)的因素足以帶來令人生畏的挑戰(zhàn)。而假如我們現(xiàn)在就已經(jīng)束手無策，那前往更為遙遠(yuǎn)的恒星就談也別談了。
你可能會(huì)想，愛因斯坦會(huì)不會(huì)有解決方案？實(shí)際上，這位相對(duì)論的創(chuàng)立者，也是首位在空間的捷徑方面作出想像的人，他真的有可能在某一天會(huì)讓星際旅行成為可能。在他的思想里，存在著一種能夠?qū)⒂钪娴膬刹糠诌B接起來的假想方式，這種方式被稱為“蟲洞”，最初則叫“愛因斯坦-羅森橋”。它是由愛因斯坦和他的助手內(nèi)森·羅森于 1935 年在一篇經(jīng)典論文中提出的，這篇論文的題目叫《廣義相對(duì)論中的粒子問題》。
愛因斯坦提出這些連接方式的動(dòng)機(jī)原本與空間旅行無關(guān)。當(dāng)時(shí)他是在嘗試把他大師級(jí)的廣義相對(duì)論，從一種物質(zhì)與幾何學(xué)的平衡關(guān)系，轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N“純凈”的幾何學(xué)，這種轉(zhuǎn)變看起來有點(diǎn)像魔術(shù)。
根據(jù)廣義相對(duì)論的標(biāo)準(zhǔn)解釋，物質(zhì)和能量團(tuán)塊作用在時(shí)空網(wǎng)格上，會(huì)使之發(fā)生扭曲，并會(huì)使其他物體沿著它們的路線移動(dòng)。物質(zhì)使其在幾何學(xué)上發(fā)生彎曲，同時(shí)，幾何學(xué)特性也會(huì)對(duì)物質(zhì)有引導(dǎo)作用。就像在蹦床上蹦跳的雜技演員，會(huì)使蹦床向下彎曲，而此時(shí)另一位在傾斜的蹦床表面行走的表演者，其前進(jìn)的路線就會(huì)左右搖擺，而不再是一條直線。
同樣，在太陽系中，太陽會(huì)彎曲臨近的時(shí)空，并引導(dǎo)行星以橢圓形軌跡運(yùn)行，而非直線。
引力場(chǎng)有其自身的能量，但它位于愛因斯坦方程式的幾何學(xué)一邊，而不是物質(zhì)和能量一邊。愛因斯坦認(rèn)為這是一種不平衡。因此他試圖設(shè)想出一種萬物理論，可以將宇宙中的一切套入這個(gè)模型中，包括其內(nèi)在本質(zhì)，愛因斯坦試圖通過純粹的幾何學(xué)，在與之相像的粒子身上找到廣義相對(duì)論解決方案。他和羅森從中發(fā)現(xiàn)了宇宙兩個(gè)不同部分間的橋狀連接，并希望這能夠幫助他完成他的“魔術(shù)”。但是在將其與實(shí)有的粒子相關(guān)聯(lián)時(shí)，卻找不到什么相似的地方，因此最終他們還是放棄了這個(gè)想法。
20 世紀(jì) 50 年代和 60 年代，普林斯頓的物理學(xué)家約翰·惠勒開始從事一項(xiàng)類似的開拓工作——即時(shí)空的幾何化——也被稱為“幾何動(dòng)力學(xué)”。愛因斯坦和惠勒的不同在于前者抵制量子力學(xué)的概率統(tǒng)計(jì)方法，而后者對(duì)此表示歡迎，并希望找到一種能夠把一切都展示在陽光下的幾何學(xué)量子理論。
惠勒給“愛因斯坦-羅森橋”起了個(gè)綽號(hào)叫“蟲洞”，他找到了一種能夠使粒子從類似實(shí)體的時(shí)空泡沫中涌現(xiàn)的方法。
這些蟲洞會(huì)隨機(jī)地在幾何學(xué)泡沫中以量子波動(dòng)的形式出現(xiàn)。場(chǎng)力線會(huì)依次從蟲洞通過，并產(chǎn)生出已知的粒子屬性，如電荷。在這種形式下，秩序會(huì)在原本純粹的無序中產(chǎn)生。
蟲洞的一個(gè)簡單類型將廣義相對(duì)論史瓦西方案以兩個(gè)不同的面連接了起來。史瓦西方案詮釋了一個(gè)靜態(tài)的、不帶電荷的質(zhì)量球體對(duì)空間的彎曲效應(yīng)?；堇照J(rèn)為這個(gè)方案同時(shí)也能夠?yàn)椤昂诙础边@樣高度緊湊的坍縮恒星內(nèi)核提供一種模型。位于宇宙不同部分的這種黑洞，在原理層面，可以用蟲洞相連。但是，通過進(jìn)一步的分析后，惠勒發(fā)現(xiàn)這樣的連接是不穩(wěn)定的。
20 世紀(jì) 80 年代晚期，惠勒的博士生，他的通俗版廣義相對(duì)論教材合作者，加州理工學(xué)院的物理學(xué)家基普·索恩，開始研究蟲洞這個(gè)課題，以滿足另外一種訴求：探索在星際空間中走捷徑的可能性。
索恩的動(dòng)力來自卡爾·薩根的請(qǐng)求。當(dāng)時(shí)后者正在寫小說《接觸》，講述人類與外星文明的首次接觸。在薩根的情節(jié)設(shè)計(jì)中，需要有一種裝置，能夠快速地在星系之間旅行。他考慮了存在于黑洞之間的史瓦西蟲洞，但是索恩告訴他這行不通。即使有辦法讓它們保持穩(wěn)定，黑洞之間的連接也會(huì)把旅行者壓碎、燒死。
倒霉的宇航員在到達(dá)黑洞中央的奇點(diǎn)——這個(gè)密度無窮大的點(diǎn)時(shí)，會(huì)被像軟糖一樣拉長、燒焦。長話短說，史瓦西黑洞蟲洞是一個(gè)死亡陷阱，而非快車道。（旋轉(zhuǎn)的黑洞，或稱“克爾”黑洞，則是另外一種類型，它們的奇點(diǎn)像是一個(gè)環(huán)，有可能使人在某種情況下得以幸存。）
索恩為滿足薩根對(duì)“友善”（或者說至少要對(duì)有經(jīng)驗(yàn)的宇航員足夠友善）蟲洞的需求而努力地進(jìn)行了思考。他把這個(gè)問題交給了他的研究生米歇爾·莫里斯。廣義相對(duì)論擁有極強(qiáng)的靈活性，能夠構(gòu)建任何類型的幾何圖形，而只需你為質(zhì)量、能量的分布提供正確的配置。
令人震驚的是，莫里斯和索恩發(fā)現(xiàn)了一種廣義相對(duì)論蟲洞方案，這種方案擁有許多招人喜歡的特性。旅行者可以通過其穩(wěn)定的“頸部”，在不同的空間之間進(jìn)行穿越，而且在穿越的過程中，不會(huì)引起蟲洞的坍塌。
旅行者在穿越這樣的蟲洞時(shí)，不會(huì)被拉伸或壓碎，反而會(huì)安全地，在合理的時(shí)間范圍內(nèi)——比如說，不到一年的時(shí)間——從一端到達(dá)另一端。輻射量也會(huì)保持在最少的程度。薩根非常興奮，把莫里斯和索恩的方案加入了他的情節(jié)設(shè)計(jì)中?！督佑|》在拍成電影時(shí)，由朱迪·福斯特出演，獲得了很大的成功。
另外，莫里斯和索恩的論文，《時(shí)空中的蟲洞及它們?cè)谛请H旅行中的用途：廣義相對(duì)論的教學(xué)工具》，以及隨后的一系列努力，使“可穿越蟲洞”這個(gè)觀點(diǎn)進(jìn)入了主流物理學(xué)期刊。真可謂是一個(gè)偉大的勝利！
作為一種假說，可穿越蟲洞方案的發(fā)展，釋放了人們大量被壓抑的對(duì)星際旅行的渴望。想像一下，通過地鐵一樣的網(wǎng)絡(luò)，將宇宙內(nèi)相距遙遠(yuǎn)的各部分連接起來，是一件多么令人敬畏的壯舉。如果地球受到威脅，蟲洞在理論上也能提供一種逃生通道。數(shù)十萬光年之外的外星文明也可以突然間就變得就觸手可及。不止是《接觸》，可穿越蟲洞也為大量科幻小說、電視劇和電影提供了靈感，其中包括最近的《星際穿越》（索恩是該片的監(jiān)制和首席科學(xué)顧問）。
然而，正如莫里斯和索恩所揭示的，進(jìn)一步的研究工作確認(rèn)，建造一個(gè)可穿越的蟲洞，需要一種自然界極其缺乏的成份——至少是缺乏大量的——即所謂的“奇異物質(zhì)”。奇異物質(zhì)具有負(fù)質(zhì)量，因此能夠作為反重力的穩(wěn)定機(jī)制，使蟲洞的頸部保持開放。
乍看起來，負(fù)質(zhì)量是不可能的。不管你吃不吃東西，都不可能將體重減去 50 公斤。然而，根據(jù)愛因斯坦的著名相對(duì)理論，質(zhì)量與能量是相關(guān)的。而且，就像莫里斯和索恩所意識(shí)到的那樣，在量子物理中，有一種卡西米爾效應(yīng)，允許負(fù)能量的存在。因此，這種負(fù)能量也許就能夠轉(zhuǎn)換成負(fù)質(zhì)量。
卡西米爾效應(yīng)與量子真空中能量的變化有關(guān)。德國物理學(xué)家亨德里克·卡西米爾發(fā)現(xiàn)，假如你使兩塊金屬板間保持純粹的真空，并將它們互相靠近，其間的真空就會(huì)被“壓縮”，量子波動(dòng)的模式也會(huì)減少。最終結(jié)果顯示，兩塊板之間的真空能量會(huì)低于其周圍的能量。假如周圍的能量為零，那么兩板之間的量子真空能量就會(huì)變成負(fù)的。內(nèi)外能量之間的差異導(dǎo)致了負(fù)壓力，兩塊板因此得以互相靠近。
莫里斯和索恩指出，擁有負(fù)能量的量子真空區(qū)域，也許能夠被“開采”，并生產(chǎn)出奇異物質(zhì)。因此，獲取奇異物質(zhì)，也許并不是件太遙遠(yuǎn)的事。
而在 1998 年，宇宙的加速膨脹被發(fā)現(xiàn)后，涌現(xiàn)出了另一種可能性，即驅(qū)動(dòng)暗能量的反重力排斥可能與奇異物質(zhì)有著某種聯(lián)系，它也許和卡西米爾效應(yīng)和負(fù)壓力的概念有關(guān)聯(lián)。但是人們至今還不能確定暗能量究竟是什么，所以也無須依賴這方面的發(fā)展。
那研究者們有沒有可能從量子真空中獲得足夠多的奇異物質(zhì)，來塑造可穿越蟲洞？這聽起來是一個(gè)不可能完成的任務(wù)。幸運(yùn)的是，新西蘭理論學(xué)家馬特·維瑟發(fā)展出了一個(gè)替代蟲洞方案，在這個(gè)方案中，建造蟲洞只需少量的奇異物質(zhì)。
即使奇異物質(zhì)被確認(rèn)并投入使用，要建造一個(gè)可穿越蟲洞仍面臨著另一個(gè)障礙——需要大量的普通物質(zhì)。研究者估計(jì)，其所需的物質(zhì)總量相當(dāng)于數(shù)百萬個(gè)太陽。很明顯，以這種方式建造蟲洞，還無法在可預(yù)見的將來實(shí)現(xiàn)。
那么在自然界中是否有可能會(huì)存在可穿越蟲洞？如果有的話，那么假定我們運(yùn)氣好，在可接受的距離范圍內(nèi)可能就會(huì)有一個(gè)（當(dāng)然也會(huì)足夠遠(yuǎn)，因?yàn)樗木薮笠Σ恢掠跁?huì)影響到太陽系）。我們能夠發(fā)現(xiàn)它，并利用它來探索銀河系嗎？也許有一天，這樣的科幻傳奇會(huì)變成現(xiàn)實(shí)，而我們也最終可以到達(dá)那些遙遠(yuǎn)的文明。
本文作者為保羅·哈爾佩恩，他是美國賓夕法尼亞州費(fèi)城科學(xué)大學(xué)的物理學(xué)教授，科普作家?？梢栽谕铺厣详P(guān)注他的賬號(hào) @phalpern。
作者：保羅·哈爾佩恩
原載：Medium.com
翻譯：老孫
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