電影中的科學之《星際穿越》——虫洞是什麼？

“虫洞”是什麼？虫洞就是連接兩個遙遠時空的多維空間隧道。其實，虫洞僅僅存在於廣義相對論的數學公式裡，並沒有人在天文觀測中實際觀測到虫洞，也沒有人掌握虫洞實際存在的實驗証據。

虫洞概念圖。（圖片來源：科技日報）

據科技日報報道，1916年，愛因斯坦廣義相對論發表后的幾個月，史瓦西在愛因斯坦引力場方程裡發現了著名的“史瓦西解”。同年，弗拉姆對其數學推導過程進行重新詮釋以后，揭示出它的虫洞本質。1935年，愛因斯坦和其學術助手羅森在一篇論文中，把連接宇宙中兩個遙遠區域之間的假想通道稱為“橋”，后來被人們稱為“愛因斯坦-羅森橋”，其實也就是“虫洞”。

據北京日報報道，20世紀50年代，美國物理學家約翰·惠勒和他的小組用不同的數學方法對此進行了廣泛的研究，他把這種特殊的空間隧道形象地稱為“虫洞”。我們經常可以看到這樣的比喻，如果把三維空間比作一個二維的蘋果的表面，從蘋果的一側走到另外一側需要繞過半個蘋果的周長﹔但假如有一隻虫子在這個蘋果上咬個洞，它就可以用更短的距離到達蘋果的另一側。這個空間兩點間的捷徑，就是虫洞。

宇宙如此廣闊，就算人類想要到達距離銀河系最近的大犬座矮星系也需要2.5萬光年。如果利用虫洞原理，我們是不是也能像電影《星際穿越》中那樣，穿越虫洞，迅速到達遙遠的另一個地方呢？

在理論上，虫洞概念的成立也歷經了重重困難，甚至倍受質疑。比如說，理論上制造和維持一個虫洞需要負能量物質的支撐，而目前已知的，隻有量子物理學中的“卡米爾效益”才能提供微弱的負能量物質。也許隻有高度發達的文明才能收集到足夠的奇異物質，來維持虫洞的穩定。

虫洞在理論上的另一個作用是可以進行時間旅行。1988年加州理工學院的物理學家索恩與學生莫裡斯發表了一項“可穿越虫洞”的研究。他們指出，虫洞不僅可以作為空間旅行的通道，還可以作為時間旅行的工具——隻要讓虫洞的出入口以接近光速的速度做適當的運動，就可以將虫洞轉變成“時光機”。這項發現無疑使科幻迷們沸騰，並為很多科幻小說提供了素材。不過，對這項研究持反對意見的人也不在少數，比如它的反對者之一——著名物理學家霍金。他認為虫洞的特性並不符合宇宙的基本法則。如果可以進行時間旅行，將會引起一些無法解決的悖論：比如一個人不可能回到過去並殺死以前的自己，他也不能阻止某些重要事件的發生，從而改變已經成為事實的歷史。假如時間旅行是可行的，那麼為什麼在我們周圍尚未出現來自未來世界的時間旅行者呢？這麼說的話，最有可能的原因就是時間旅行在整個時間長河中從來沒有出現過。

總之，關於時間旅行的問題確實引起了很多物理學家的興趣，而且有不少頂尖大學的教授在對這個課題進行深入研究，但是就可行性來講，時間旅行很可能只是一種幻想。（楊傲飛）

本文由北京工業大學應用數理學院教授周洪直進行科學性把關。