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本文发表于《科幻世界》二零零六年第五期 (科幻世界杂志社出版)。 不过发表时的标题错成了 “虫洞: 旅行家的天堂 & 探险者的地狱”。

虫洞: 旅行家的天堂还是探险者的地狱?

- 卢昌海 -

本文是应《科幻世界》杂志的约稿而写。 本网站的版本比书面版本多了若干注释, 以及因字数限制而未发表的第一节, 并且在人名及某些术语第一次出现时附有英文。 本文是在 Wormhole: 遥远的天梯 一文的基础上, 以尽可能适合《科幻世界》读者背景的方式改写而成的。

一. 星空,最后的前沿

探索星空是人类一个恒久的梦想。 在晴朗的夜晚, 每当我们仰起头来, 就会看到满天的繁星。 自古以来, 星空以它无与伦比的浩瀚、 深邃、 美丽及神秘激起着人类无数的遐想。 著名的美国科幻电视连续剧《星际旅行》 (Star Trek) 中有这样一句简短却意味无穷的题记: 星空, 最后的前沿 (Space, the final frontier)[注一]。 当我第一次观看这个电视连续剧的时侯, 这句用一种带有磁性的话外音念出的题记给我留下了令人神往的印象。

在远古的时侯, 人类探索星空的方式是肉眼, 后来开始用望远镜, 但人类迈向星空的第一步则是在一九五七年。 那一年, 人类发射的第一个航天器终于飞出了我们这个蓝色星球的大气层。 十二年后, 人类把足迹留在了月球上。 三年之后, 人类向外太阳系发射了先驱者十号深空探测器。 一九八三年, 先驱者十号飞离了海王星轨道, 成为人类发射的第一个飞离太阳系的航天器[注二]

从人类发射第一个航天器以来, 短短二十几年的时间里, 齐奥尔科夫斯基所预言的 “人类首先将小心翼翼地穿过大气层, 然后再去征服太阳周围的整个空间” 就成为了现实, 人类探索星空的步履不可谓不迅速。 但是, 相对于无尽的星空而言, 这种步履依然太过缓慢。 率先飞出太阳系的先驱者十号如今正在一片冷寂的空间中滑行着, 在满天的繁星之中, 要经过多少年它才能飞临下一颗恒星呢? 答案是两百万年! 那时它将飞临距离我们六十八光年的金牛座 (Taurus)[注三]。 六十八光年的距离相对于地球上的任何尺度来说都是极其巨大的, 但是相对于远在三万光年之外的银河系中心, 远在两百二十万光年之外的仙女座大星云, 远在六千万光年之外的室女座星系团, 以及更为遥远的其它天体来说无疑是微不足道的。 人类的好奇心是没有边界的, 可是即便人类航天器的速度再快上许多倍, 甚至接近物理速度的上限 - 光速, 用星际空间的距离来衡量依然是极其缓慢的。

那么, 有没有什么办法可以让航天器以某种方式变相地突破速度上限, 从而能够在很短的时间内跨越那些近乎无限的遥远距离呢? 科幻小说家们率先展开了想象的翅膀。

二. 旅行家的天堂

一九八五年, 美国康乃尔大学 (Cornell University) 的著名行星天文学家卡尔 • 萨根 (Carl Sagan) 写了一部科幻小说, 叫做《接触》 (Contact)。 萨根对探索地球以外的智慧生物有着浓厚的兴趣, 他客串科幻小说家的目的之一是要为寻找外星智慧生物的 SETI 计划筹集资金。 他的这部小说后来被拍成了电影, 为他赢得了广泛的知名度。

萨根在他的小说中叙述了一个动人的故事: 一位名叫艾丽 (Ellie) 的女科学家收到了一串来自外星球智慧生物的电波信号。 经过研究, 她发现这串信号包含了建造一台特殊设备的方法, 那台设备可以让人类与信号的发送者会面。 经过努力, 艾丽与同事成功地建造起了这台设备, 并通过这台设备跨越了遥远的星际空间与外星球智慧生物实现了第一次接触。

但是, 艾丽与同事按照外星球智慧生物提供的方法建造出的设备究竟利用了什么方式让旅行者跨越遥远的星际空间的呢? 这是萨根需要大胆 “幻想” 的地方。 他最初的设想是利用黑洞。 但是萨根毕竟不是普通的科幻小说家, 他的科学背景使他希望自己的科幻小说尽可能地不与已知的物理学定律相矛盾。 于是他给自己的老朋友, 加州理工学院 (California Institute of Technology) 的索恩 (Kip S. Thorne) 教授打了一个电话。 索恩是研究引力理论的专家, 萨根请他为自己的设想做一下技术评估。 索恩经过思考及粗略的计算, 很快告诉萨根黑洞是无法作为星际旅行的工具的, 他建议萨根使用虫洞 (wormhole) 这个概念。 据我所知, 这是虫洞这一名词第一次进入科幻小说中[注四]。 在那之后, 各种科幻小说、 电影、 及电视连续剧相继采用了这一名词, 虫洞逐渐成为了科幻故事中的标准术语。 这是科幻小说家与物理学家的一次小小交流结出的果实。

萨根与索恩的交流不仅为科幻小说带来了一个全新的术语, 也为物理学开创了一个新的研究领域。 在物理学中, 虫洞这一概念最早是由米斯纳 (C. W. Misner) 与惠勒 (J. A. Wheeler) 于一九五七年提出的, 与人类发射第一个航天器恰好是同一年。 那么究竟什么是虫洞? 它又为什么会被科幻小说家视为星际旅行的工具呢? 让我们用一个简单的例子来说明: 大家知道, 在一个苹果的表面上从一个点到另一个点需要走一条弧线, 但如果有一条蛀虫在这两个点之间蛀出了一个虫洞, 通过虫洞就可以在这两个点之间走直线, 这显然要比原先的弧线来得近。 把这个类比从二维的苹果表面推广到三维的物理空间, 就是物理学家们所说的虫洞, 而虫洞可以在两点之间形成快捷路径的特点正是科幻小说家们喜爱虫洞的原因[注五]。 只要存在合适的虫洞, 无论多么遥远的地方都有可能变得近在咫尺, 星际旅行家们将不再受制于空间距离的遥远。 在一些科幻故事中, 技术水平高度发达的文明世界利用虫洞进行星际旅行就像今天的我们利用高速公路在城镇间旅行一样。 在著名的美国科幻电影及电视连续剧《星之门》 (Stargate) 中人类利用外星文明留在地球上的一台被称为 “星之门” 的设备可以与其它许多遥远星球上的 “星之门” 建立虫洞连接, 从而能够几乎瞬时地把人和设备送到那些遥远的星球上。 虫洞成为了科幻故事中星际旅行家的天堂。

不过米斯纳与惠勒所提出的虫洞是极其微小的, 并且在极短的时间内就会消失, 无法成为星际旅行的通道。 萨根的小说发表之后, 索恩对虫洞产生了浓厚的兴趣, 并和他的学生莫里斯 (Mike Morris) 开始对虫洞作深入的研究。 与米斯纳和惠勒不同的是, 索恩感兴趣的是可以作为星际旅行通道的虫洞, 这种虫洞被称为可穿越虫洞 (traversable wormhole)。

三. 负能量物质

那么什么样的虫洞能成为可穿越虫洞呢? 一个首要的条件就是它必须存在足够长的时间, 不能够没等星际旅行家穿越就先消失。 因此可穿越虫洞首先必须是足够稳定的。 一个虫洞怎样才可以稳定存在呢? 索恩和莫里斯经过研究发现了一个不太妙的结果, 那就是在虫洞中必须存在某种能量为负的奇特物质! 为什么会有这样的结论呢? 那是因为物质进入虫洞时是向内汇聚的, 而离开虫洞时则是向外飞散的, 这种由汇聚变成飞散的过程意味着在虫洞的深处存在着某种排斥作用。 由于普通物质的引力只能产生汇聚作用, 只有负能量物质才能够产生这种排斥作用。 因此, 要想让虫洞成为星际旅行的通道, 必须要有负能量的物质。 索恩和莫里斯的这一结果是人们对可穿越虫洞进行研究的起点。

索恩和莫里斯的结果为什么不太妙呢? 因为人们在宏观世界里从未观测到任何负能量的物质。 事实上, 在物理学中人们通常把真空的能量定为零。 所谓真空就是一无所有, 而负能量意味着比一无所有的真空具有 “更少” 的物质, 这在经典物理学中是近乎于自相矛盾的说法。

但是许多经典物理学做不到的事情在二十世纪初随着量子理论的发展却变成了可能。 负能量的存在很幸运地正是其中一个例子。 在量子理论中, 真空不再是一无所有, 它具有极为复杂的结构, 每时每刻都有大量的虚粒子对产生和湮灭。 一九四八年, 荷兰物理学家卡什米尔 (Hendrik Casimir) 研究了真空中两个平行导体板之间的这种虚粒子态, 结果发现它们比普通的真空具有更少的能量, 这表明在这两个平行导体板之间出现了负的能量密度! 在此基础上他发现在这样的一对平行导体板之间存在一种微弱的相互作用。 他的这一发现被称为卡什米尔效应。 将近半个世纪后的一九九七年, 物理学家们在实验上证实了这种微弱的相互作用, 从而间接地为负能量的存在提供了证据。 除了卡什米尔效应外, 二十世纪七八十年代以来, 物理学家在其它一些研究领域也先后发现了负能量的存在。

因此, 种种令人兴奋的研究都表明, 宇宙中看来的确是存在负能量物质的。 但不幸的是, 迄今所知的所有这些负能量物质都是由量子效应产生的, 因而数量极其微小。 以卡什米尔效应为例, 倘若平行板的间距为一米, 它所产生的负能量的密度相当于在每十亿亿立方米的体积内才有一个 (负质量的) 基本粒子! 而且间距越大负能量的密度就越小。 其它量子效应所产生的负能量密度也大致相仿。 因此在任何宏观尺度上由量子效应产生的负能量都是微乎其微的。

另一方面, 物理学家们对维持一个可穿越虫洞所需要的负能量物质的数量也做了估算, 结果发现虫洞的半径越大, 所需要的负能量物质就越多。 具体地说, 为了维持一个半径为一公里的虫洞所需要的负能量物质的数量相当于整个太阳系的质量。

如果说负能量物质的存在给利用虫洞进行星际旅行带来了一丝希望, 那么这些更具体的研究结果则给这种希望泼上了一盆无情的冷水。 因为一方面迄今所知的所有产生负能量物质的效应都是量子效应, 所产生的负能量物质即使用微观尺度来衡量也是极其微小的。 另一方面维持任何宏观意义上的虫洞所需的负能量物质却是一个天文数字! 这两者之间的巨大鸿沟无疑给建造虫洞的前景蒙上了浓重的阴影。

四. 探险者的地狱

虽然数字看起来令人沮丧, 但是别忘了当我们讨论虫洞的时侯, 我们是在讨论一个科幻的话题。 既然是讨论科幻的话题, 我们姑且把眼光放得乐观些。 即使我们自己没有能力建造虫洞, 或许宇宙间还存在其它文明生物有能力建造虫洞, 就象《星之门》的故事那样。 甚至, 即使谁也没有能力建造虫洞, 或许在浩瀚宇宙的某个角落里存在着天然的虫洞。 因此让我们姑且假设在未来的某一天人类真的建造或者发现了一个半径为一公里的虫洞。

我们是否就可以利用它来进行星际旅行了呢?

初看起来半径一公里的虫洞似乎足以满足星际旅行的要求了, 因为这样的半径在几何尺度上已经足以让相当规模的星际飞船通过了。 看过科幻电影的人可能对星际飞船穿越虫洞的特技处理留有深刻的印象。 从屏幕上看, 飞船周围充斥着由来自遥远天际的星光和幅射组成的无限绚丽的视觉幻象, 看上去飞船穿越的似乎是时空中的一条狭小的通道。

但实际情况远比这种幻想来得复杂。 事实上为了能让飞船及乘员安全地穿越虫洞, 几何半径的大小并不是星际旅行家所面临的主要问题。 按照广义相对论, 物质在通过象虫洞这样空间结构高度弯曲的区域, 会遇到一个十分棘手的问题, 那就是张力。 这种张力的源泉之一是引力场在空间各处分布的不均匀性, 它的一种大家熟悉的表现形式就是海洋中的潮汐。 由于这种张力的作用, 当星际飞船接近虫洞的时侯, 飞船上的乘员会渐渐感觉到自己的身体在沿虫洞的方向上有被拉伸的感觉, 而在与之垂直的方向上则有被挤压的感觉。 这种感觉便是由虫洞引力场的不均匀造成的。 一开始, 这种张力只是使人稍有不适而已, 但随着飞船与虫洞的接近, 这种张力会迅速增加, 距离每缩小到十分一, 这种张力就会增加约一千倍。 当飞船距离虫洞还有一千公里的时侯, 这种张力已经超出了人体所能承受的极限, 如果飞船到这时还不赶紧折回的话, 所有的乘员都将在致命的张力作用下丧命。 再往前飞一段距离, 飞船本身将在可怕的张力作用下解体, 而最终, 疯狂增加的张力将把已经成为碎片的飞船及乘员撕成一长串亚原子粒子。 从虫洞另一端飞出的就是这一长串早已无法分辨来源的亚原子粒子!

这就是星际探险者试图穿越半径为一公里的虫洞将会遭遇的结局。 半径一公里的虫洞不是旅行家的天堂, 而是探险者的地狱。

因此一个虫洞要成为可穿越虫洞, 一个很明显的进一步要求就是: 飞船及乘员在通过虫洞时所受到的张力必须很小。 计算表明, 这个要求只有在虫洞的半径极其巨大的情况下才能得到满足[注六]。 那么究竟要多大的虫洞才可以作为星际旅行的通道呢? 计算表明, 半径小于一光年的虫洞对飞船及乘员产生的张力足以破坏物质的原子结构, 这是任何坚固的飞船都无法经受的, 更遑论脆弱的飞船乘员了。 因此, 一个虫洞要成为可穿越虫洞, 其半径必须远远大于一光年。

一光年是个什么概念呢? 它相当于整个太阳系半径 (以冥王星轨道为界) 的一千五百多倍。 如果用地球的线度来衡量的话, 它大约是地球直径的七亿倍。 因此, 科幻电影《星之门》把虫洞的出入口建在地球及其它行星上是完全不可能的, 因为入口如此狭小的虫洞不仅无法让人安全穿越, 而且会把周围的一切在瞬息之间撕裂成亚原子粒子。 在萨根的故事中, 曾有人反对艾丽与同事把外星球智慧生物提供的蓝图付诸实施, 因为他们担心那有可能是一个用来毁灭地球的装置。 他们的担忧其实是很有道理的。

五. 从科幻到现实

但另一方面, 一光年用日常的距离来衡量虽然是一个巨大的线度, 用星际的距离来衡量, 却也不算惊人。 我们所在的银河系的线度大约是它的十万倍, 假如在银河系与两百二十万光年外的仙女座大星云之间存在一个虫洞的话, 从线度上讲它只不过是一个非常细小的通道。 那么会不会在我们周围的星际空间中真的存在这样的通道, 只不过还未被我们发现呢? 答案是否定的。 因为半径为一光年的虫洞真正惊人的地方不在于它的线度, 而在于维持它所需的负能量物质的数量。 计算表明, 维持这样一个虫洞所需的负能量物质的数量相当于整个银河系中所有发光星体质量总和的一百倍! 这样的虫洞产生的引力效应将远比整个银河系的引力效应更为显著, 如果在我们附近的星际空间中存在这种虫洞的话, 周围几百万光年内的物质运动都将受到显著的影响, 我们早就从它的引力场中发现其踪迹了。

因此不仅在地球上不可能建造可穿越虫洞, 在我们附近的整个星际空间中都几乎不可能存在可穿越虫洞而未被发现。

这样看来, 我们只剩下一种可能性需要讨论了, 那就是在宇宙的其它遥远角落里是否有可能存在可穿越虫洞? 对于这个问题, 我们也许永远都无法确切地知道结果, 因为宇宙实在太大了。 但是维持可观测虫洞所需的数量近乎于天方夜谭的负能量物质几乎为我们提供了答案。 迄今为止, 人类从未在任何宏观尺度上发现过负能量物质, 所有产生负能量物质的实验方法利用的都是微弱的量子效应。 为了能够维持一个可穿越虫洞, 必须存在某种机制把量子效应所产生的微弱的负能量物质汇集起来, 达到足够的数量。 但是负能量物质可以被汇聚起来吗? 最近十几年来物理学家们在这方面做了一些理论研究, 结果表明由量子效应产生的负能量物质是不可能无限制地加以汇聚的。 负能量物质汇聚得越多, 它所能够存在的时间就会越短。 因此一个虫洞没有负能量物质是不稳定的, 负能量物质太多了也会不稳定! 那么到底什么样的虫洞才能够稳定的呢? 初步的计算表明, 只有线度比原子的线度还要小二十几个数量级的虫洞才是稳定的[注七]

这一系列结果无疑是非常冷酷的, 如果这些结果成立的话, 存在可穿越虫洞的可能性就基本上被排除了, 所有那些美丽的科幻故事也就都成了镜花水月。 不过幸运 (或不幸) 的是, 上面所叙述的许多结果依据的是目前还比较前沿 - 因而相对来说也还比较不成熟 - 的物理理论。 未来的研究是否会从根本上动摇这些理论, 从而完全推翻我们上面介绍的许多结果, 还是一个未知数。 退一步讲, 即使那些物理理论基本成立, 上面所叙述的许多结果也只是从那些理论推出的近似结果或特例。 比方说, 许多结果假定了虫洞是球对称的, 而实际上虫洞完全可以是其它形状的, 不同形状的虫洞所要求的负能量物质的数量, 所产生张力的大小都是不同的。 所有这些都表明即使那些物理理论真的成立, 我们上面提到的结论也不见得是完全普遍的。 未来在这一领域中无疑会有更深入的探索, 或许那些新的探索会为我们带来有关可穿越虫洞的新的希望。

>> 请阅读姊妹篇 时间旅行: 科学还是幻想?

注释

  1. Star Trek 分好几个系列, 这句题记属于 The Next Generation 系列。
  2. 先驱者十号飞离海王星轨道的时侯, 冥王星处于海王星轨道之内, 因此人们把先驱者号飞离海王星轨道作为飞离太阳系的标志。 当然, 这里我们不去考虑目前争议中的太阳系边界究竟在哪里的问题。
  3. 更确切地讲, 先驱者十号目前的方向是金牛座的 Aldebaran 星, 那是一颗红巨星。
  4. 在萨根的《接触》之前也有许多科幻小说, 比如 1968 年发表的克拉克 (Arthur C. Clarke) 的著名小说《2001:太空奥得赛》 (2001: A Space Odyssey), 用到了类似的星际旅行方式, 这种方式后来也被人们诠释为是利用虫洞。 但这属于事后诠释, 那些小说本身并未使用 “虫洞” 这一术语。
  5. 严格地讲, 物理学中的虫洞不一定代表快捷路径, 有关这一点请参阅 Wormhole: 遥远的天梯
  6. 虫洞的半径越大, 质量也会越大, 在同样距离上产生的张力也就越大。 但是虫洞的半径越大, 飞船在进入及通过虫洞时距离虫洞中心的距离就越大。 由于张力对距离远比对质量更为敏感, 两相比较之下, 半径越大的虫洞越有利于星际飞船的通过。 另外需要提醒读者注意的是, 除了引力场分布的不均匀性造成的张力外, 飞船在通过虫洞时还有可能直接遭遇负能量物质本身的巨大张力。
  7. 更确切地讲, 那些研究表明, 虫洞的线度要么比原子的线度小二十几个数量级, 要么 - 如果虫洞的线度是宏观的话 - 虫洞中的负能量物质必须很不可思议地分布在一个比原子核半径还小得多的弦状区域内。 迄今为止只有假想中的宇宙弦有可能具有这种高密度的弦状能量分布, 但所有已知的宇宙弦模型中弦的能量密度都是正的。

参考文献

  1. M. S. Morris, K. S. Thorne, Wormholes in spacetime and their use for interstellar travel: A tool for teaching general relativity, Am. J. Phys. 56, 395, 1988.
  2. M. Visser, Lorentzian Wormholes: from Einstein to Hawking (AIP Press, American Institute of Physics, 1996).
  3. Thomas A. Roman, Some Thoughts on Energy Conditions and Wormholes, gr-qc/0409090.

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