电影中的科学之《星际穿越》——虫洞是什么？

“虫洞”是什么？虫洞就是连接两个遥远时空的多维空间隧道。其实，虫洞仅仅存在于广义相对论的数学公式里，并没有人在天文观测中实际观测到虫洞，也没有人掌握虫洞实际存在的实验证据。

虫洞概念图。（图片来源：科技日报）

据科技日报报道，1916年，爱因斯坦广义相对论发表后的几个月，史瓦西在爱因斯坦引力场方程里发现了著名的“史瓦西解”。同年，弗拉姆对其数学推导过程进行重新诠释以后，揭示出它的虫洞本质。1935年，爱因斯坦和其学术助手罗森在一篇论文中，把连接宇宙中两个遥远区域之间的假想通道称为“桥”，后来被人们称为“爱因斯坦-罗森桥”，其实也就是“虫洞”。

据北京日报报道，20世纪50年代，美国物理学家约翰·惠勒和他的小组用不同的数学方法对此进行了广泛的研究，他把这种特殊的空间隧道形象地称为“虫洞”。我们经常可以看到这样的比喻，如果把三维空间比作一个二维的苹果的表面，从苹果的一侧走到另外一侧需要绕过半个苹果的周长；但假如有一只虫子在这个苹果上咬个洞，它就可以用更短的距离到达苹果的另一侧。这个空间两点间的捷径，就是虫洞。

宇宙如此广阔，就算人类想要到达距离银河系最近的大犬座矮星系也需要2.5万光年。如果利用虫洞原理，我们是不是也能像电影《星际穿越》中那样，穿越虫洞，迅速到达遥远的另一个地方呢？

在理论上，虫洞概念的成立也历经了重重困难，甚至倍受质疑。比如说，理论上制造和维持一个虫洞需要负能量物质的支撑，而目前已知的，只有量子物理学中的“卡米尔效益”才能提供微弱的负能量物质。也许只有高度发达的文明才能收集到足够的奇异物质，来维持虫洞的稳定。

虫洞在理论上的另一个作用是可以进行时间旅行。1988年加州理工学院的物理学家索恩与学生莫里斯发表了一项“可穿越虫洞”的研究。他们指出，虫洞不仅可以作为空间旅行的通道，还可以作为时间旅行的工具——只要让虫洞的出入口以接近光速的速度做适当的运动，就可以将虫洞转变成“时光机”。这项发现无疑使科幻迷们沸腾，并为很多科幻小说提供了素材。不过，对这项研究持反对意见的人也不在少数，比如它的反对者之一——著名物理学家霍金。他认为虫洞的特性并不符合宇宙的基本法则。如果可以进行时间旅行，将会引起一些无法解决的悖论：比如一个人不可能回到过去并杀死以前的自己，他也不能阻止某些重要事件的发生，从而改变已经成为事实的历史。假如时间旅行是可行的，那么为什么在我们周围尚未出现来自未来世界的时间旅行者呢？这么说的话，最有可能的原因就是时间旅行在整个时间长河中从来没有出现过。

总之，关于时间旅行的问题确实引起了很多物理学家的兴趣，而且有不少顶尖大学的教授在对这个课题进行深入研究，但是就可行性来讲，时间旅行很可能只是一种幻想。（杨傲飞）

本文由北京工业大学应用数理学院教授周洪直进行科学性把关。