《星際穿越》：蟲洞的現(xiàn)實(shí)與“傳說”

秦建

從“橋”到“洞”

1915年，阿爾伯特·愛因斯坦提出了廣義相對論。1916年，路德維?！じ＠钒l(fā)現(xiàn)廣義相對論方程有一個特殊解，可以描述某種穿越時空的“通道”?？上倪@一發(fā)現(xiàn)太過超前，沒有引起注意。1935年，愛因斯坦和內(nèi)森·羅森計(jì)算出同樣的解，由此提出了“愛因斯坦-羅森橋”概念。但當(dāng)時的研究認(rèn)為“愛因斯坦-羅森橋”是靜態(tài)的，永恒不變的，因此，缺乏研究價值。

《星際穿越》中的蟲洞藝術(shù)圖（圖片來源/Wallpaper Abyss）

20世紀(jì)年60年代，約翰·惠勒在研究“愛因斯坦-羅森橋”的數(shù)學(xué)模型時，發(fā)現(xiàn)它不是永恒、靜態(tài)的，而是會誕生、膨脹、連通和死亡。那它像什么呢？約翰·惠勒想到了一個絕妙的比喻：一只螞蟻從蘋果的一端到另一端，如果繞著蘋果彎曲的表面爬過去，距離就很遠(yuǎn)，而咬穿蘋果，從蘋果內(nèi)部鉆過去，距離就會大大縮短?；堇沼纱颂岢隽颂祗w物理學(xué)中的“蟲洞”一詞。約翰·惠勒認(rèn)為，宇宙中有很多相互獨(dú)立的奇點(diǎn)，機(jī)緣巧合之下，兩個奇點(diǎn)在超空間里連接，形成某種通道。從其中一個奇點(diǎn)進(jìn)入，幾分鐘或者幾秒鐘后從另一個奇點(diǎn)出來，就抵達(dá)了數(shù)十甚至數(shù)萬光年之外的宇宙。理論上講，惠勒所謂的蟲洞可以在宇宙的任意兩點(diǎn)之間建立聯(lián)系。

然而，進(jìn)一步計(jì)算發(fā)現(xiàn)，約翰·惠勒蟲洞存在的時間極短，任何東西，包括30萬千米/秒的光，都無法在如此短的時間里從蟲洞的這一端穿越到另一端。

關(guān)于蟲洞的研究似乎走進(jìn)了死胡同。

可穿越蟲洞登場

《星際穿越》中探險隊(duì)員乘坐永恒號飛船進(jìn)行星際航行（圖片來源/Wallpaper Abyss）

約翰·惠勒并沒有因?yàn)樗?jì)算出的蟲洞無法穿越而灰心。相反，他高興地說，危機(jī)是極好的導(dǎo)師。如果我們明智地去探尋，那么便可以領(lǐng)悟更多的物理定律。約翰·惠勒沒有解決的問題，在另一位理論物理學(xué)大師那里找到了答案。

卡爾·薩根在1985年出版的科幻小說《接觸》中，提到了一種高速星際旅行方式——黑洞。而基普·索恩認(rèn)真思考后告訴他，黑洞不行，而蟲洞可以，只要這種蟲洞存在時間足夠長，不會坍塌，不會斷裂，并且可以穿越。根據(jù)基普·索恩的建議，卡爾·薩根將蟲洞寫進(jìn)了《接觸》，這是蟲洞第一次走進(jìn)科幻小說。此后，蟲洞成為風(fēng)靡世界的當(dāng)代科學(xué)概念之一。

基普·索恩也由此對蟲洞產(chǎn)生了濃厚的興趣。1987年，基普·索恩和他的兩名研究生一起，在一系列論文中正式提出制造“可穿越蟲洞”的方案。

在普朗克長度（原子核直徑的萬億億分之一）的亞微觀尺度上，時空不再平滑，不可計(jì)數(shù)的“量子泡沫”會隨機(jī)出現(xiàn)、隨機(jī)消失，所引起的能量起伏叫做“量子漲落”。量子漲落形成無數(shù)極細(xì)小的蟲洞，用以連接不同的量子泡沫。但任何可穿行的蟲洞一定是由某種具備負(fù)能量的物質(zhì)支撐著的（這些物質(zhì)的能量至少要和光束或者近似光速運(yùn)動的物體穿行蟲洞時所承受的負(fù)能量相當(dāng)），這種具有負(fù)能量的物質(zhì)就是“奇異物質(zhì)”。但什么是負(fù)能量呢？量子漲落具有能量，如果某物質(zhì)的能量低于周圍空間的量子漲落能量，就說這種物質(zhì)具有負(fù)能量。其實(shí)早在1948年，亨德里克·卡西米爾就指出，將置于真空環(huán)境中的兩塊平行金屬片不斷接近，它們之間的真空區(qū)域?qū)⒕哂小柏?fù)能量”。雖然目前已經(jīng)可以在實(shí)驗(yàn)室中制造出少量具有“卡西米爾效應(yīng)”的奇異物質(zhì)，但數(shù)量極少，無法維持蟲洞的開放。計(jì)算表明，維持可穿越蟲洞所需的負(fù)能量相當(dāng)于一顆普通恒星在一年中釋放出的全部能量。

夢還是現(xiàn)實(shí)？

基普·索恩為《星際穿越》設(shè)計(jì)的黑洞效果圖（圖片來源/Wallpaper Abyss）

基普·索恩認(rèn)為，蟲洞不是可以自然發(fā)生的物理現(xiàn)象，它需要超級發(fā)達(dá)的文明來創(chuàng)造條件實(shí)現(xiàn)。所以，《星際穿越》電影中出現(xiàn)了五維生命制造可穿越蟲洞放到土星附近的場景。

飛船進(jìn)入蟲洞后會看到什么呢？不同長度的蟲洞內(nèi)部會出現(xiàn)不同的透鏡效果。如果蟲洞太長，那么穿越過程會像穿過一條長長的隧道;如果蟲洞太短，那么又會一晃而過。因此，《星際穿越》中的蟲洞設(shè)計(jì)為中等長度，既包含了已有蟲洞數(shù)值模擬結(jié)果的主要特征，又結(jié)合了電腦藝術(shù)家的抽象演繹，最終向觀眾呈現(xiàn)出永恒號飛船穿越蟲洞的奇幻場景。

2019年9月26日，美國國家航空航天局發(fā)布的高分辨率的黑洞扭曲世界可視化效果圖（圖片來源/NASA）

2017年，基普·索恩因在LIGO探測器和引力波觀測方面的決定性貢獻(xiàn)，獲得當(dāng)年的諾貝爾物理學(xué)獎。2019年9月26日，美國國家航空航天局發(fā)布的高分辨率的黑洞扭曲世界可視化效果圖，與基普·索恩為《星際穿越》設(shè)計(jì)的黑洞效果圖如出一轍。那么，會不會有一天，“索恩蟲洞”也會由科幻變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)呢？

（責(zé)任編輯/江盼 美術(shù)編輯/張小穗）