什么是蟲洞

關注：32 發布時間：2021-09-18 07:49:01

“人類誕生在地球上。這絕不意味著死在這里。”在漫長的未來，農作物無法種植，這使得地球無法居住。人類將不得不去十字星尋找外太空的新家。

以上是2014年科幻電影星際穿越講的故事。但是現實中，離開太陽系進入星際空間是非常困難的。比如1977年發射的太空探測器旅行者1號，到現在還沒有到達太陽系邊緣。

那么有沒有方便的方法呢？愛因斯坦的廣義相對論給了我們希望，他的理論預言的蟲洞是通往星際空間的便捷通道，本片中的宇航員就是利用蟲洞實現星際的。

廣義相對論是愛因斯坦研究時空和引力關系的理論。它革命了牛頓時代的靜態時空觀，認為時間和空間不是靜止的，而是可以變化和彎曲的。令愛因斯坦驚訝的是，相對論不僅引起了我們時空觀的一場革命，還預言了中一系列奇怪的事件或現象：bigbang、時間旅行、暗能量、黑洞、蟲洞。我們可以說這些新發現屬于廣義相對論和愛因斯坦。

蟲洞究竟是什么樣子？

1935年，愛因斯坦和他的好朋友以色列裔美國物理學家內森羅森在研究引力場方程時發現，對于彎曲的時空，理論上可能存在一條連接中兩個遙遠地方的捷徑。這就像一座山的兩端可以通過隧道連接起來。

但是，中的蟲洞并不像山底的隧道那么容易挖。蟲洞的概念提出幾十年以來，高品質理論物理學家對蟲洞的討論還停留在紙面上，bigbang、黑洞等現象已經被觀測所證實。但是隨著思考的深入，關于蟲洞的細節逐漸豐富。

假設中有一個蟲洞，會是什么樣子？其實很簡單。它有兩個開口，例如，一個靠近地球，另一個靠近大約26光年遠的織女星。兩個開口由在高維空間中延伸的隧道連接。這個隧道可以很短，比如只有1公里，那么如果我們從地球通過蟲洞到達織女星，就可以把行程從26光年縮短到1公里。所以蟲洞可以成為中的捷徑。

具體外觀如下圖所示。請注意，我們的空間是以二維而不是三維繪制的。這種將3d嵌入2d的插圖被物理學家稱為馬賽克。我們不知道是否會像現實中的畫面那樣彎曲，但只有這樣蟲洞才能縮短路程。

蟲洞雖然可以縮短行進距離，但不超過光速。比如你從地球通過蟲洞到達織女星，明顯比你通過蟲洞外的時空到達光速要快，但是當你穿越蟲洞時，相對于蟲洞的速度不能超過光速。

另外，蟲洞并不總是縮短時空距離，有時候洞內距離大于洞外距離。下圖。

在真實的三維空間中，蟲洞看起來不像隧道，也不像橋，因為你只能看到它的洞，而它的隧道在四維空間中延伸，所以你不能直接看到隧道。其中，洞看起來像一個巨大的玻璃球，如下圖所示：

在上圖中，您可以清楚地看到孔的邊界(由箭頭指示)。注意這里的光都不是來自蟲洞本身。其中，邊界外邊緣扭曲的圖像是蟲洞洞扭曲了周圍星系傳輸的光線。這種現象叫做引力透鏡。邊界內是黑洞另一端傳輸的扭曲圖像。

蟲洞不是黑洞

許多人認為蟲洞只是黑洞的另一種，但這種觀點是錯誤的。區別之一是黑洞有事件視界(物質往返的邊界)，但不是每個蟲洞都有事件視界。有些蟲洞有事件視界，但并不是因為像黑洞一樣存在密度無限大的奇點，而是因為蟲洞隧道中重力引起的潮汐力太強。蟲洞和黑洞的另一個區別是，蟲洞有兩個由隧道連接的開口，而黑洞只有一個開口，開口的盡頭就是死胡同。落入黑洞的物質比較終都會擊中內部奇點。

下圖簡要說明了蟲洞和黑洞的區別。圖中白線代表普通時空，紅線代表黑洞內部時空，紅點代表奇點。

不止一種蟲洞

另一個重要的事實是蟲洞不止一個。蟲洞分類的一種方法是蟲洞的隧道是基本穩定還是不穩定(比如隧道不斷地開然后關)。第二種分類方法是創造產生蟲洞的引力場需要多少物質，一種只需要行星質量，一些需要幾倍恒星質量。此外，蟲洞隧道的潮汐力大小也是蟲洞分類的一種方式。

接下來，我們將解釋兩種蟲洞。一個是史瓦西蟲洞，是不穩定的蟲洞。另一種是穩定的蟲洞，允許物質通過，所以也可以說是一種可以通過的蟲洞。

不同的時空與史瓦西蟲洞

物理學家比較早提出的蟲洞是史瓦西蟲洞，是廣義相對論中愛因斯坦方程的一個解的產物。

在研究愛因斯坦方程的過程中，物理學家發現，在時間和空間中，既有黑洞，也有白洞。白洞只是黑洞的時間反轉，里面的物質都會向外運動，穿過它的邊界(也叫事件視界)，再也不會回到里面。除了黑洞和白洞，一定還有另外兩個完全隔離的時空區域，稱為兩個不同的“”。這兩個與黑洞和白洞的關系是這樣的：白洞中的粒子和信號都可以進入這兩個，但不能回到白洞；兩個中的粒子和信號都可以進入黑洞，但無法逃離黑洞，只能擊中黑洞中的奇點；兩個是完全隔絕的，也就是沒有信息可以互相交流。所有四個地區都可以用左下角的時空圖來代表。

左下角的時空圖是特殊坐標系中的時空圖，圖中的每個點代表一個二維球體。兩條對角線代表事件視界，將時間和空間分為四個區域：i和iv代表兩個孤立的，ii代表黑洞，iii代表白洞。奇點出現在黑洞和白洞中，用雙曲線表示。(你可能已經注意到白洞內部有一個奇點，這個很好理解：很多物理學家認為bigbang其實是一個白洞，奇點是大爆款之前密度無限大的點。)

在圖中我們會發現，一和四在中點相連，這其實就是斯旺西蟲洞，可以把兩個連接起來。事實上，它也連接了所有四個時空。

這個蟲洞比較早是由愛因斯坦和他的同事內森羅森提出的，所以當時他們稱之為愛因斯坦-羅森橋。它看起來像馬賽克中右下方的圖片。其實可以說黑洞內部和白洞內部是相連的。所以史瓦西蟲洞應該是單向的，也就是說在蟲洞的一端沒有物質可以進出，在另一端也沒有物質可以進出。

這是一個不穩定的蟲洞

那么，我們能否利用史瓦西蟲洞從我們的跑到的另一端呢？可惜這是不可能的。20世紀60年代，

美國物理學家約翰惠勒和他的同事發現，這種類型的蟲洞是不穩定的，存在的時刻是短暫的，物質，包括光，都可以從一個穿過蟲洞到達另一個。

下圖是斯旺西蟲洞隧道的變化過程。在它形成之前，它只是兩個分開的黑洞和白洞。它形成蟲洞后，瞬間變成了黑洞和白洞。從圖中可以看出，試圖穿過蟲洞的東西都不可能從另一端出來，比較終會在蟲洞關閉后撞上奇點。

斯旺西蟲洞的一個洞像黑洞，另一個洞像白洞。事實上，對于外部觀察者來說，蟲洞中的一個洞看起來就像一個真正的黑洞。也許中的那些黑洞會形成短的史瓦西蟲洞。

現在讓我們想象一下如果你通過這個洞進入蟲洞會是什么樣子。進洞的過程類似于進入黑洞。穿過事件視界后，如果沒有被潮汐力撕碎，可以看到洞中央扭曲的影像，這是蟲洞另一端發出的光。下圖簡要顯示了這種情況。

右邊的圖像是蟲洞這邊的天空圖，左邊的圖像是蟲洞那邊的天空圖。雖然可以看到蟲洞的另一面，可惜到不了。因為斯旺西蟲洞不穩定，蟲洞在你還沒反應過來之前就關閉了，然后你會擊倒關閉蟲洞后形成的奇點。

斯旺西蟲洞轉瞬即逝，沒有物質可以通過。那么有什么辦法可以穩定斯旺西蟲洞呢？美國物理學家基普索恩找到了一種方法，盡管這似乎不可思議。

穩定而可穿行的蟲洞

一個可行走的蟲洞應該滿足以下條件：

1)蟲洞是穩定的，或者至少可以長期存在，但在物質通過之前不能關閉，就像史瓦西蟲洞一樣；

2)蟲洞內部沒有事件視界，使得物質可以自由的雙向運動；

3)蟲洞必須在限定的時間內完成。

另外，如果一個人要駕駛飛船通過蟲洞，蟲洞內的潮汐力加速度應該足夠小，至少小于人體所能承受的加速度(約為重力加速度的10倍)。1988年，索恩和他的學生麥克莫里斯詳細討論了這個蟲洞。根據愛因斯坦引力方程，他們發現如果這個蟲洞存在，里面一定存在平均能量密度為負的物質(以下簡稱“奇異物質”)。

這種奇怪的物質并不十分奇怪。事實上，我們可以在實驗室生產它。比如真空中兩塊平行的金屬板之間會有吸引力。因為真空不是真的空，而是充滿了能量波動。能量的波動會產生虛擬粒子，但金屬板之間只能安裝特定波長的虛擬粒子，這將導致金屬板之間的真空能量低于其他正常空間。真空是平均能量為零的空間，所以金屬板的空間是平均能量為負的空間。金屬板之間的物質可以認為是一種具有負能量的奇異物質。如果這樣一種奇怪的物質滲透進蟲洞，蟲洞將有足夠的時間保持打開，讓物質通過。

在高維打開蟲洞

雖然我們可以利用金屬板之間產生的一些奇怪的物質，但它們非常罕見。而要打開蟲洞，你需要很多奇怪的物質。打開一個半徑1 cm的蟲洞，需要相當于地球質量的奇怪物質；打開一個半徑1 km的蟲洞，需要一種相當于太陽質量的奇怪物質；要打開一個半徑1光年的蟲洞，需要銀河系中發光物質總質量100倍左右的奇怪物質。另外，如果載人飛船可以通過，蟲洞內部的潮汐力造成的加速度也不能太大。經過計算，發現人類能承受的蟲洞半徑至少大于1光年。

我們不知道如何產生這么多奇怪的物質。用奇怪的物質打開蟲洞進行星際旅行似乎很難。

但是從另一個角度來說，可以穿越的蟲洞真的一定要有奇怪的物質嗎？

2002年，一些物理學家發現高斯-波洛引力理論下的蟲洞可以保持開放而沒有奇怪的物質，甚至可以保持開放而沒有物質。高斯-波尼特引力理論實際上是在廣義相對論中加入高維空間的理論。它把我們的描述成四維時空的孤島，或者說是一種“膜”，漂浮在更高維度的時空里。蟲洞可以連接不同的“膜”，不需要物質就可以穩定存在。

這個蟲洞真的會存在嗎？很有可能。惠勒曾指出真空充滿了量子漲落。在普朗克尺度(1.6210-33 cm)下，真空波動更劇烈，像沸騰一樣，充滿“量子氣泡”，那里會有很多微小的蟲洞。

如果這個微小的蟲洞誕生在早期，由于的膨脹，它很可能會變得足夠大，達到天文規模。

從蟲洞里回到過去

蟲洞不僅可以快速到達的另一個區域，或者另一個，還可以作為時光機器回到過去。比如一個洞相對于另一個洞高速運動，蟲洞就變成了時間機器。根據相對論引起的效應，兩個洞的時間會不一樣，這樣你就可以通過蟲洞回去了。下面舉個例子來說明。

一個人在地球上創造了一個蟲洞。他在家里開了一個洞，在飛船上開了另一個洞。他可以帶著這個洞，乘飛船去中散步，然后回到地球。根據相對論，我們知道跑得越快，時間過得越慢，所以這個過程對他來說可能只需要12個小時，但在地球上已經過了10年。那時，他的家可能已經不存在了。但是如果他透過飛船的蟲洞看，他會發現洞的另一端還是他離開時的地球。所以他可以爬進蟲洞回到10年前的地球，也就是說他可以利用蟲洞回到過去！(但是，我們也注意到，他不可能回到蟲洞創建之前的那一刻，所以他不可能回到二戰前秒*希特勒。)

所以蟲洞在某些情況下可以是時間機器，可以創造一個可以回到過去的時間圈。時間圈的名稱是閉合計時曲線，蟲洞是閉合計時曲線的一種。

時間旅行的悖論

接下來的問題是，允許時間機器存在嗎？一個很明顯的問題是，物體經過一個可以回到過去的蟲洞后，必然會破壞因果關系，產生悖論。比如著名的“祖父悖論”:有人通過蟲洞回去殺了他的祖父，從而阻止了他以后的出生，所以他一直沒有出生，所以他不能回去殺他的祖父。

但是，祖父悖論還有一個問題，就是人是否真的有自由意志：作為一個人，我有能力決定自己的命運嗎？當我回到過去的時候，我真的有能力秒*我的祖父嗎？當我要用刀捅我爺爺的時候，會不會有一種無形的力量阻止我這么做？

自由意志的問題其實比時光機更讓人困惑。因此，為了避免這樣的問題，我們可以研究無生命物體引起的悖論，然后嘗試解決這個悖論。

消除悖論的假想實驗

舉個例子，考慮一個臺球從某個地方進入蟲洞的入口，回到過去，從另一個洞飛出，然后剛好打中原來的自己，使得原來的臺球改變方向，使其無法進入蟲洞，然后再回來打自己。

這種情況類似于祖父悖論，是一個回到過去，改變歷史的問題，導致邏輯不合邏輯。如何解決這個問題？其實很簡單。如果能找到一個邏輯自洽的結果(即能根據邏輯推理證明我們存在的合理性，不會產生矛盾和錯誤)，滿足一切物理規律，就能消除這個悖論。注意，臺球是一個位置和速度都確定的經典物體，所以臺球只需要滿足經典物理定律即可。

索恩和他的學生在1988年詳細討論了這種臺球。經過一番努力，他們發現在初始條件不變的情況下，存在滿足經典物理定律且邏輯自洽的結果。具體來說，這個臺球還是按照原來的路線飛向蟲洞中的一個洞，但是會在途中被另一個臺球稍微撞上(我們后面會看到是這個臺球未來的自己)，然后路線會稍微偏離。它進入蟲洞，回到過去，從另一個洞飛出來，因為它的路線稍微偏離了，所以不會像上面的例子那樣猛烈地撞擊原來的自己，而是輕微地撞擊。這個過程是完全邏輯自洽的，悖論消除了。

需要注意的是，這里有兩種輕微碰撞的情況，一種是與原臺球的一側碰撞，另一種是與原臺球的另一側碰撞。也就是說，邏輯自洽有兩條軌跡。

這是一個令人震驚的結果。因為在沒有時光機的中，在初始條件不變的情況下，根據經典物理理論，臺球只有一種軌跡。時光機的出現打破了這個經典物理中的確定性。另外，在其他一些初始條件下，時光機可以讓臺球擁有無限多條不同的軌跡，而不是只有兩條。

那么這意味著什么呢？如果你懂量子力學，就不足為奇了。量子力學與經典物理有很大不同。在相同的初始條件下，可以得到將要發生什么的概率，但不能得到確定的概率。如果從量子力學的角度來看前面的臺球實驗，當臺球開始飛向蟲洞時，選擇一個軌跡和另一個軌跡會有一定的概率。做一個臺球實驗，只能得到其中一個結果。經過多次實驗，會發現有的球會選擇一條賽道，有的球會選擇另一條。)

悖論似乎可以消除，那么真的會允許蟲洞成為時間機器嗎？

我們知道描述引力的廣義相對論與量子力學是不相容的，但是我們可以用一些半經典的方法來研究引力的一些量子效應。一些物理學家，比如索恩，發現如果把量子效應考慮進去，就會發現蟲洞在形成時光機的時候，總會有一堆真空波動反復通過，比較后真空波動變得異常強烈，從而破壞蟲洞，阻止時光機的形成。史蒂芬霍金將這種阻止時光機形成的機制稱為“時序保護猜想”。計時保護猜想會阻止形式的時光機(包括蟲洞)的形成。

多中的蟲洞

那么蟲洞真的不能成為時間機器嗎？別擔心，還有別的辦法挽救。1991年，英國物理學家大衛多伊奇為了拯救時間機器，提出了多解釋的思想。其中，多解釋是一種不同于傳統量子力學解釋的理論。

根據傳統的量子解釋，微觀粒子在測量之前可以同時處于各種狀態。這種狀態叫做疊加態，物理學家可以用一種叫做波函數的工具來描述。一旦測量，疊加態就會被破壞，粒子成為唯*的狀態。根據多解釋，一個粒子在時候都處于疊加態，粒子的每一個狀態都處于幾個子之一。

在測量之前，這些子可以相互影響，所以我們可以觀察到它們處于疊加狀態。一旦測量出來，每個子就會變得互不相干，無法感知對方，所以你只能看到一個結果，但粒子仍然處于疊加狀態。

多解釋不僅適用于微觀粒子，也適用于一切。比如你選擇買什么水果，就會產生很多不相關的子。你選擇了這個亞的蘋果，那個亞的香蕉。你只能感知其中一個子，而不能感知其他子。

除了那些微觀粒子的子可以互相感知，其他的子都是不可逾越的。你從未在另一個見過你。所以我們真的不能進入另一個亞？

多伊奇指出，蟲洞成為時間機器后，并不是連接到同一個，而是連接到不同的子。這樣你通過蟲洞回到另一個亞，可能和我們的很不一樣。也許是小行星沒有撞擊地球，恐龍仍然統治著，也許是納粹德國首先研制出原子彈，等等。多伊奇發現，通過蟲洞回到另一個亞的好處是，不僅不會出現祖父悖論，而且蟲洞內的真空波動也不會變得異常大。可以說蟲洞可能打開了通往另一個的大門。

然而，蟲洞在仍然是一個理論術語，人類要找到或創造一個通向另一個的蟲洞，還有很長的路要走。