什么是虫洞

关注：32 发布时间：2021-09-18 07:49:01

“人类诞生在地球上。这绝不意味着死在这里。”在漫长的未来，农作物无法种植，这使得地球无法居住。人类将不得不去十字星寻找外太空的新家。

以上是2014年科幻电影星际穿越讲的故事。但是现实中，离开太阳系进入星际空间是非常困难的。比如1977年发射的太空探测器旅行者1号，到现在还没有到达太阳系边缘。

那么有没有方便的方法呢？爱因斯坦的广义相对论给了我们希望，他的理论预言的虫洞是通往星际空间的便捷通道，本片中的宇航员就是利用虫洞实现星际的。

广义相对论是爱因斯坦研究时空和引力关系的理论。它革命了牛顿时代的静态时空观，认为时间和空间不是静止的，而是可以变化和弯曲的。令爱因斯坦惊讶的是，相对论不仅引起了我们时空观的一场革命，还预言了中一系列奇怪的事件或现象：bigbang、时间旅行、暗能量、黑洞、虫洞。我们可以说这些新发现属于广义相对论和爱因斯坦。

虫洞究竟是什么样子？

1935年，爱因斯坦和他的好朋友以色列裔美国物理学家内森罗森在研究引力场方程时发现，对于弯曲的时空，理论上可能存在一条连接中两个遥远地方的捷径。这就像一座山的两端可以通过隧道连接起来。

但是，中的虫洞并不像山底的隧道那么容易挖。虫洞的概念提出几十年以来，高品质理论物理学家对虫洞的讨论还停留在纸面上，bigbang、黑洞等现象已经被观测所证实。但是随着思考的深入，关于虫洞的细节逐渐丰富。

假设中有一个虫洞，会是什么样子？其实很简单。它有两个开口，例如，一个靠近地球，另一个靠近大约26光年远的织女星。两个开口由在高维空间中延伸的隧道连接。这个隧道可以很短，比如只有1公里，那么如果我们从地球通过虫洞到达织女星，就可以把行程从26光年缩短到1公里。所以虫洞可以成为中的捷径。

具体外观如下图所示。请注意，我们的空间是以二维而不是三维绘制的。这种将3d嵌入2d的插图被物理学家称为马赛克。我们不知道是否会像现实中的画面那样弯曲，但只有这样虫洞才能缩短路程。

虫洞虽然可以缩短行进距离，但不超过光速。比如你从地球通过虫洞到达织女星，明显比你通过虫洞外的时空到达光速要快，但是当你穿越虫洞时，相对于虫洞的速度不能超过光速。

另外，虫洞并不总是缩短时空距离，有时候洞内距离大于洞外距离。下图。

在真实的三维空间中，虫洞看起来不像隧道，也不像桥，因为你只能看到它的洞，而它的隧道在四维空间中延伸，所以你不能直接看到隧道。其中，洞看起来像一个巨大的玻璃球，如下图所示：

在上图中，您可以清楚地看到孔的边界(由箭头指示)。注意这里的光都不是来自虫洞本身。其中，边界外边缘扭曲的图像是虫洞洞扭曲了周围星系传输的光线。这种现象叫做引力透镜。边界内是黑洞另一端传输的扭曲图像。

虫洞不是黑洞

许多人认为虫洞只是黑洞的另一种，但这种观点是错误的。区别之一是黑洞有事件视界(物质往返的边界)，但不是每个虫洞都有事件视界。有些虫洞有事件视界，但并不是因为像黑洞一样存在密度无限大的奇点，而是因为虫洞隧道中重力引起的潮汐力太强。虫洞和黑洞的另一个区别是，虫洞有两个由隧道连接的开口，而黑洞只有一个开口，开口的尽头就是死胡同。落入黑洞的物质比较终都会击中内部奇点。

下图简要说明了虫洞和黑洞的区别。图中白线代表普通时空，红线代表黑洞内部时空，红点代表奇点。

不止一种虫洞

另一个重要的事实是虫洞不止一个。虫洞分类的一种方法是虫洞的隧道是基本稳定还是不稳定(比如隧道不断地开然后关)。第二种分类方法是创造产生虫洞的引力场需要多少物质，一种只需要行星质量，一些需要几倍恒星质量。此外，虫洞隧道的潮汐力大小也是虫洞分类的一种方式。

接下来，我们将解释两种虫洞。一个是史瓦西虫洞，是不稳定的虫洞。另一种是稳定的虫洞，允许物质通过，所以也可以说是一种可以通过的虫洞。

不同的时空与史瓦西虫洞

物理学家比较早提出的虫洞是史瓦西虫洞，是广义相对论中爱因斯坦方程的一个解的产物。

在研究爱因斯坦方程的过程中，物理学家发现，在时间和空间中，既有黑洞，也有白洞。白洞只是黑洞的时间反转，里面的物质都会向外运动，穿过它的边界(也叫事件视界)，再也不会回到里面。除了黑洞和白洞，一定还有另外两个完全隔离的时空区域，称为两个不同的“”。这两个与黑洞和白洞的关系是这样的：白洞中的粒子和信号都可以进入这两个，但不能回到白洞；两个中的粒子和信号都可以进入黑洞，但无法逃离黑洞，只能击中黑洞中的奇点；两个是完全隔绝的，也就是没有信息可以互相交流。所有四个地区都可以用左下角的时空图来代表。

左下角的时空图是特殊坐标系中的时空图，图中的每个点代表一个二维球体。两条对角线代表事件视界，将时间和空间分为四个区域：i和iv代表两个孤立的，ii代表黑洞，iii代表白洞。奇点出现在黑洞和白洞中，用双曲线表示。(你可能已经注意到白洞内部有一个奇点，这个很好理解：很多物理学家认为bigbang其实是一个白洞，奇点是大爆款之前密度无限大的点。)

在图中我们会发现，一和四在中点相连，这其实就是斯旺西虫洞，可以把两个连接起来。事实上，它也连接了所有四个时空。

这个虫洞比较早是由爱因斯坦和他的同事内森罗森提出的，所以当时他们称之为爱因斯坦-罗森桥。它看起来像马赛克中右下方的图片。其实可以说黑洞内部和白洞内部是相连的。所以史瓦西虫洞应该是单向的，也就是说在虫洞的一端没有物质可以进出，在另一端也没有物质可以进出。

这是一个不稳定的虫洞

那么，我们能否利用史瓦西虫洞从我们的跑到的另一端呢？可惜这是不可能的。20世纪60年代，

美国物理学家约翰惠勒和他的同事发现，这种类型的虫洞是不稳定的，存在的时刻是短暂的，物质，包括光，都可以从一个穿过虫洞到达另一个。

下图是斯旺西虫洞隧道的变化过程。在它形成之前，它只是两个分开的黑洞和白洞。它形成虫洞后，瞬间变成了黑洞和白洞。从图中可以看出，试图穿过虫洞的东西都不可能从另一端出来，比较终会在虫洞关闭后撞上奇点。

斯旺西虫洞的一个洞像黑洞，另一个洞像白洞。事实上，对于外部观察者来说，虫洞中的一个洞看起来就像一个真正的黑洞。也许中的那些黑洞会形成短的史瓦西虫洞。

现在让我们想象一下如果你通过这个洞进入虫洞会是什么样子。进洞的过程类似于进入黑洞。穿过事件视界后，如果没有被潮汐力撕碎，可以看到洞中央扭曲的影像，这是虫洞另一端发出的光。下图简要显示了这种情况。

右边的图像是虫洞这边的天空图，左边的图像是虫洞那边的天空图。虽然可以看到虫洞的另一面，可惜到不了。因为斯旺西虫洞不稳定，虫洞在你还没反应过来之前就关闭了，然后你会击倒关闭虫洞后形成的奇点。

斯旺西虫洞转瞬即逝，没有物质可以通过。那么有什么办法可以稳定斯旺西虫洞呢？美国物理学家基普索恩找到了一种方法，尽管这似乎不可思议。

稳定而可穿行的虫洞

一个可行走的虫洞应该满足以下条件：

1)虫洞是稳定的，或者至少可以长期存在，但在物质通过之前不能关闭，就像史瓦西虫洞一样；

2)虫洞内部没有事件视界，使得物质可以自由的双向运动；

3)虫洞必须在限定的时间内完成。

另外，如果一个人要驾驶飞船通过虫洞，虫洞内的潮汐力加速度应该足够小，至少小于人体所能承受的加速度(约为重力加速度的10倍)。1988年，索恩和他的学生麦克莫里斯详细讨论了这个虫洞。根据爱因斯坦引力方程，他们发现如果这个虫洞存在，里面一定存在平均能量密度为负的物质(以下简称“奇异物质”)。

这种奇怪的物质并不十分奇怪。事实上，我们可以在实验室生产它。比如真空中两块平行的金属板之间会有吸引力。因为真空不是真的空，而是充满了能量波动。能量的波动会产生虚拟粒子，但金属板之间只能安装特定波长的虚拟粒子，这将导致金属板之间的真空能量低于其他正常空间。真空是平均能量为零的空间，所以金属板的空间是平均能量为负的空间。金属板之间的物质可以认为是一种具有负能量的奇异物质。如果这样一种奇怪的物质渗透进虫洞，虫洞将有足够的时间保持打开，让物质通过。

在高维打开虫洞

虽然我们可以利用金属板之间产生的一些奇怪的物质，但它们非常罕见。而要打开虫洞，你需要很多奇怪的物质。打开一个半径1 cm的虫洞，需要相当于地球质量的奇怪物质；打开一个半径1 km的虫洞，需要一种相当于太阳质量的奇怪物质；要打开一个半径1光年的虫洞，需要银河系中发光物质总质量100倍左右的奇怪物质。另外，如果载人飞船可以通过，虫洞内部的潮汐力造成的加速度也不能太大。经过计算，发现人类能承受的虫洞半径至少大于1光年。

我们不知道如何产生这么多奇怪的物质。用奇怪的物质打开虫洞进行星际旅行似乎很难。

但是从另一个角度来说，可以穿越的虫洞真的一定要有奇怪的物质吗？

2002年，一些物理学家发现高斯-波洛引力理论下的虫洞可以保持开放而没有奇怪的物质，甚至可以保持开放而没有物质。高斯-波尼特引力理论实际上是在广义相对论中加入高维空间的理论。它把我们的描述成四维时空的孤岛，或者说是一种“膜”，漂浮在更高维度的时空里。虫洞可以连接不同的“膜”，不需要物质就可以稳定存在。

这个虫洞真的会存在吗？很有可能。惠勒曾指出真空充满了量子涨落。在普朗克尺度(1.6210-33 cm)下，真空波动更剧烈，像沸腾一样，充满“量子气泡”，那里会有很多微小的虫洞。

如果这个微小的虫洞诞生在早期，由于的膨胀，它很可能会变得足够大，达到天文规模。

从虫洞里回到过去

虫洞不仅可以快速到达的另一个区域，或者另一个，还可以作为时光机器回到过去。比如一个洞相对于另一个洞高速运动，虫洞就变成了时间机器。根据相对论引起的效应，两个洞的时间会不一样，这样你就可以通过虫洞回去了。下面举个例子来说明。

一个人在地球上创造了一个虫洞。他在家里开了一个洞，在飞船上开了另一个洞。他可以带着这个洞，乘飞船去中散步，然后回到地球。根据相对论，我们知道跑得越快，时间过得越慢，所以这个过程对他来说可能只需要12个小时，但在地球上已经过了10年。那时，他的家可能已经不存在了。但是如果他透过飞船的虫洞看，他会发现洞的另一端还是他离开时的地球。所以他可以爬进虫洞回到10年前的地球，也就是说他可以利用虫洞回到过去！(但是，我们也注意到，他不可能回到虫洞创建之前的那一刻，所以他不可能回到二战前秒*希特勒。)

所以虫洞在某些情况下可以是时间机器，可以创造一个可以回到过去的时间圈。时间圈的名称是闭合计时曲线，虫洞是闭合计时曲线的一种。

时间旅行的悖论

接下来的问题是，允许时间机器存在吗？一个很明显的问题是，物体经过一个可以回到过去的虫洞后，必然会破坏因果关系，产生悖论。比如著名的“祖父悖论”:有人通过虫洞回去杀了他的祖父，从而阻止了他以后的出生，所以他一直没有出生，所以他不能回去杀他的祖父。

但是，祖父悖论还有一个问题，就是人是否真的有自由意志：作为一个人，我有能力决定自己的命运吗？当我回到过去的时候，我真的有能力秒*我的祖父吗？当我要用刀捅我爷爷的时候，会不会有一种无形的力量阻止我这么做？

自由意志的问题其实比时光机更让人困惑。因此，为了避免这样的问题，我们可以研究无生命物体引起的悖论，然后尝试解决这个悖论。

消除悖论的假想实验

举个例子，考虑一个台球从某个地方进入虫洞的入口，回到过去，从另一个洞飞出，然后刚好打中原来的自己，使得原来的台球改变方向，使其无法进入虫洞，然后再回来打自己。

这种情况类似于祖父悖论，是一个回到过去，改变历史的问题，导致逻辑不合逻辑。如何解决这个问题？其实很简单。如果能找到一个逻辑自洽的结果(即能根据逻辑推理证明我们存在的合理性，不会产生矛盾和错误)，满足一切物理规律，就能消除这个悖论。注意，台球是一个位置和速度都确定的经典物体，所以台球只需要满足经典物理定律即可。

索恩和他的学生在1988年详细讨论了这种台球。经过一番努力，他们发现在初始条件不变的情况下，存在满足经典物理定律且逻辑自洽的结果。具体来说，这个台球还是按照原来的路线飞向虫洞中的一个洞，但是会在途中被另一个台球稍微撞上(我们后面会看到是这个台球未来的自己)，然后路线会稍微偏离。它进入虫洞，回到过去，从另一个洞飞出来，因为它的路线稍微偏离了，所以不会像上面的例子那样猛烈地撞击原来的自己，而是轻微地撞击。这个过程是完全逻辑自洽的，悖论消除了。

需要注意的是，这里有两种轻微碰撞的情况，一种是与原台球的一侧碰撞，另一种是与原台球的另一侧碰撞。也就是说，逻辑自洽有两条轨迹。

这是一个令人震惊的结果。因为在没有时光机的中，在初始条件不变的情况下，根据经典物理理论，台球只有一种轨迹。时光机的出现打破了这个经典物理中的确定性。另外，在其他一些初始条件下，时光机可以让台球拥有无限多条不同的轨迹，而不是只有两条。

那么这意味着什么呢？如果你懂量子力学，就不足为奇了。量子力学与经典物理有很大不同。在相同的初始条件下，可以得到将要发生什么的概率，但不能得到确定的概率。如果从量子力学的角度来看前面的台球实验，当台球开始飞向虫洞时，选择一个轨迹和另一个轨迹会有一定的概率。做一个台球实验，只能得到其中一个结果。经过多次实验，会发现有的球会选择一条赛道，有的球会选择另一条。)

悖论似乎可以消除，那么真的会允许虫洞成为时间机器吗？

我们知道描述引力的广义相对论与量子力学是不相容的，但是我们可以用一些半经典的方法来研究引力的一些量子效应。一些物理学家，比如索恩，发现如果把量子效应考虑进去，就会发现虫洞在形成时光机的时候，总会有一堆真空波动反复通过，比较后真空波动变得异常强烈，从而破坏虫洞，阻止时光机的形成。史蒂芬霍金将这种阻止时光机形成的机制称为“时序保护猜想”。计时保护猜想会阻止形式的时光机(包括虫洞)的形成。

多中的虫洞

那么虫洞真的不能成为时间机器吗？别担心，还有别的办法挽救。1991年，英国物理学家大卫多伊奇为了拯救时间机器，提出了多解释的思想。其中，多解释是一种不同于传统量子力学解释的理论。

根据传统的量子解释，微观粒子在测量之前可以同时处于各种状态。这种状态叫做叠加态，物理学家可以用一种叫做波函数的工具来描述。一旦测量，叠加态就会被破坏，粒子成为唯*的状态。根据多解释，一个粒子在时候都处于叠加态，粒子的每一个状态都处于几个子之一。

在测量之前，这些子可以相互影响，所以我们可以观察到它们处于叠加状态。一旦测量出来，每个子就会变得互不相干，无法感知对方，所以你只能看到一个结果，但粒子仍然处于叠加状态。

多解释不仅适用于微观粒子，也适用于一切。比如你选择买什么水果，就会产生很多不相关的子。你选择了这个亚的苹果，那个亚的香蕉。你只能感知其中一个子，而不能感知其他子。

除了那些微观粒子的子可以互相感知，其他的子都是不可逾越的。你从未在另一个见过你。所以我们真的不能进入另一个亚？

多伊奇指出，虫洞成为时间机器后，并不是连接到同一个，而是连接到不同的子。这样你通过虫洞回到另一个亚，可能和我们的很不一样。也许是小行星没有撞击地球，恐龙仍然统治着，也许是纳粹德国首先研制出原子弹，等等。多伊奇发现，通过虫洞回到另一个亚的好处是，不仅不会出现祖父悖论，而且虫洞内的真空波动也不会变得异常大。可以说虫洞可能打开了通往另一个的大门。

然而，虫洞在仍然是一个理论术语，人类要找到或创造一个通向另一个的虫洞，还有很长的路要走。