《星际穿越》：虫洞的现实与“传说”
2019-09-06秦建
秦建
从“桥”到“洞”
1915年，阿尔伯特·爱因斯坦提出了广义相对论。1916年，路德维希·福拉姆发现广义相对论方程有一个特殊解，可以描述某种穿越时空的“通道”。可惜他的这一发现太过超前，没有引起注意。1935年，爱因斯坦和内森·罗森计算出同样的解，由此提出了“爱因斯坦-罗森桥”概念。但当时的研究认为“爱因斯坦-罗森桥”是静态的，永恒不变的，因此，缺乏研究价值。
《星际穿越》中的虫洞艺术图（图片来源/Wallpaper Abyss）
20世纪年60年代，约翰·惠勒在研究“爱因斯坦-罗森桥”的数学模型时，发现它不是永恒、静态的，而是会诞生、膨胀、连通和死亡。那它像什么呢？约翰·惠勒想到了一个绝妙的比喻：一只蚂蚁从苹果的一端到另一端，如果绕着苹果弯曲的表面爬过去，距离就很远，而咬穿苹果，从苹果内部钻过去，距离就会大大缩短。惠勒由此提出了天体物理学中的“虫洞”一词。约翰·惠勒认为，宇宙中有很多相互独立的奇点，机缘巧合之下，两个奇点在超空间里连接，形成某种通道。从其中一个奇点进入，几分钟或者几秒钟后从另一个奇点出来，就抵达了数十甚至数万光年之外的宇宙。理论上讲，惠勒所谓的虫洞可以在宇宙的任意两点之间建立联系。
然而，进一步计算发现，约翰·惠勒虫洞存在的时间极短，任何东西，包括30万千米/秒的光，都无法在如此短的时间里从虫洞的这一端穿越到另一端。
关于虫洞的研究似乎走进了死胡同。
可穿越虫洞登场
《星际穿越》中探险队员乘坐永恒号飞船进行星际航行（图片来源/Wallpaper Abyss）
约翰·惠勒并没有因为他计算出的虫洞无法穿越而灰心。相反，他高兴地说，危机是极好的导师。如果我们明智地去探寻，那么便可以领悟更多的物理定律。约翰·惠勒没有解决的问题，在另一位理论物理学大师那里找到了答案。
卡尔·萨根在1985年出版的科幻小说《接触》中，提到了一种高速星际旅行方式——黑洞。而基普·索恩认真思考后告诉他，黑洞不行，而虫洞可以，只要这种虫洞存在时间足够长，不会坍塌，不会断裂，并且可以穿越。根据基普·索恩的建议，卡尔·萨根将虫洞写进了《接触》，这是虫洞第一次走进科幻小说。此后，虫洞成为风靡世界的当代科学概念之一。
基普·索恩也由此对虫洞产生了浓厚的兴趣。1987年，基普·索恩和他的两名研究生一起，在一系列论文中正式提出制造“可穿越虫洞”的方案。
在普朗克长度（原子核直径的万亿亿分之一）的亚微观尺度上，时空不再平滑，不可计数的“量子泡沫”会随机出现、随机消失，所引起的能量起伏叫做“量子涨落”。量子涨落形成无数极细小的虫洞，用以连接不同的量子泡沫。但任何可穿行的虫洞一定是由某种具备负能量的物质支撑着的（这些物质的能量至少要和光束或者近似光速运动的物体穿行虫洞时所承受的负能量相当），这种具有负能量的物质就是“奇异物质”。但什么是负能量呢？量子涨落具有能量，如果某物质的能量低于周围空间的量子涨落能量，就说这种物质具有负能量。其实早在1948年，亨德里克·卡西米尔就指出，将置于真空环境中的两块平行金属片不断接近，它们之间的真空区域将具有“负能量”。虽然目前已经可以在实验室中制造出少量具有“卡西米尔效应”的奇异物质，但数量极少，无法维持虫洞的开放。计算表明，维持可穿越虫洞所需的负能量相当于一颗普通恒星在一年中释放出的全部能量。
梦还是现实？
基普·索恩为《星际穿越》设计的黑洞效果图（图片来源/Wallpaper Abyss）
基普·索恩認为，虫洞不是可以自然发生的物理现象，它需要超级发达的文明来创造条件实现。所以，《星际穿越》电影中出现了五维生命制造可穿越虫洞放到土星附近的场景。
飞船进入虫洞后会看到什么呢？不同长度的虫洞内部会出现不同的透镜效果。如果虫洞太长，那么穿越过程会像穿过一条长长的隧道;如果虫洞太短，那么又会一晃而过。因此，《星际穿越》中的虫洞设计为中等长度，既包含了已有虫洞数值模拟结果的主要特征，又结合了电脑艺术家的抽象演绎，最终向观众呈现出永恒号飞船穿越虫洞的奇幻场景。
2019年9月26日，美国国家航空航天局发布的高分辨率的黑洞扭曲世界可视化效果图（图片来源/NASA）
2017年，基普·索恩因在LIGO探测器和引力波观测方面的决定性贡献，获得当年的诺贝尔物理学奖。2019年9月26日，美国国家航空航天局发布的高分辨率的黑洞扭曲世界可视化效果图，与基普·索恩为《星际穿越》设计的黑洞效果图如出一辙。那么，会不会有一天，“索恩虫洞”也会由科幻变为现实呢？
（责任编辑/江盼 美术编辑/张小穗）
