蟲洞是否真的存在？時空旅行是否真的可以實現？

蟲洞是否存在？如有，是什麼維持它？

蟲洞，學名愛因斯坦-羅森橋，是連接時空上兩個點的捷徑，超光速旅行和回到過去的熱門候選方法，也是科幻小說中長盛不衰的話題。微觀尺度上的蟲洞在量子真空中不斷出現，消失。但是，這樣的微型蟲洞十分微小，只能讓基本粒子通過，所以這樣的蟲洞對於一心想要跨越星系，穿梭時空的人類來說說，沒有實際的用處。

圖片來自Interstellar is REAL:

Boffins create WORMHOLE in a lab

要創造宏觀尺度的蟲洞並且讓它保持穩定，我們需要負能量。

當然不是這種負能量。

負能量（negative energy）是一種奇特的能量。不過在介紹什麼是負能量之前，我們需要先了解什麼不是負能量。

負能量不是反物質。基本粒子都有對應的反粒子，相遇時會互相湮滅。比如正電子和電子湮滅時，會變成伽馬射線。負能量也不是暗能量。暗能量是一種充斥於宇宙空間的能量，它以負壓力的方式推動宇宙加速膨脹，但是卻對製造蟲洞無能為力。無論反物質還是暗能量，它們都是正能量。

那麼什麼是負能量呢？

從宏觀上看，真空中一無所有。但是如果你湊近了看，卻會發現這其實是一片活躍的量子海洋。粒子-反粒子對不停地憑空出現，然後湮滅消失。就像你從飛機上看風平浪靜的大海，不會看見任何起伏。但是當你降落到海面，卻會發現海面有波浪，還有泡沫。

在很短的時間內，能量並不守恆。量子泡沫從空間中借來能量，只要很快歸還，大自然一點都不在乎。但是，如果我們有辦法讓這片喧囂的海洋平靜下來，真空就會表現出負能量。

在著名的卡西米爾效應中，我們就可以看到負能量的蛛絲馬跡。

圖片來自Casimir effect

在這個試驗中，兩塊距離很近的平行金屬板限制了它們之間的量子波動，使得金屬板之間的量子波動小於金屬板外的空間，這樣外面的量子波動對金屬板產生了向內的推力。你也可以把它看成金屬板內的空間產生了吸引力，讓兩塊金屬板互相靠近。如果我們認為外部空間的平均能量密度是0的話，兩塊金屬板之間就出現了負的能量密度。

另一個可以看到負能量的地方是黑洞。霍金在上世紀70年代提出了黑洞輻射理論。當一個粒子-反粒子對在黑洞視界邊緣從真空中蹦出來，正打算度過它們短暫的一生，然後相互擁抱，重歸虛無的時候，黑洞用它強大的引力打斷了這一過程。於是，一個粒子掉進了黑洞的無底深淵，而另一個卻得到了足夠的能量，逃離了黑洞。這樣，一個粒子（一份能量）就憑空產生了。基於能量守恆，掉進黑洞的那一個粒子必須帶有負能量。吃掉這個負能量的黑洞質量反而變小了。長此以往，黑洞越來越小，最後在一道閃光中煙消雲散。

圖片來自Black Hole Evaporation (page 3)

讓我們重新回到蟲洞的話題。蟲洞雖然寄託了我們超越光速的夢想，但是卻可望而不可及。物理學家約翰·惠勒和羅伯特·富勒在1968年提出，大型黑洞無法保持穩定。和黑洞一樣，蟲洞也是一種極致的時空彎曲。它會在引力的作用下迅速崩潰，在它轉瞬即逝的生命中，連光都來不及穿過去。

不過不要急於失望，後來的物理學家們（如基普·索恩）發現，負能量可以幫助蟲洞保持穩定。由於負能量可以產生排斥的引力，如果把負能量放置在蟲洞的通道周圍，它就能抵消蟲洞自身的引力，防止蟲洞坍塌。

不止蟲洞，科幻小說中另一個津津樂道的話題——曲率引擎，也離不開負能量的幫助。曲率引擎通過壓縮飛船前方的時空，同時擴展後方的時空，製造一個時空泡，讓空間推動飛船以超光速運動。而要維持時空彎曲，我們需要在飛船周圍布置大量負能量。

圖片來自Wormholes, Time Machines & Warp Drives

那麼，怎樣才能得到足夠的負能量，來實現我們的超光速夢想呢？既然大自然時時刻刻都在整個宇宙範圍內大量製造負能量，看起來也並不太稀奇。但是問題在於，我們需要把負能量和正能量分離，單獨提取出來。這就走進了物理定律的雷區。

雖然空間中同時存在正能量和負能量，但是它們均勻的混合在一起，處於一種熵值極大的狀態。假如我們能有效地把兩種能量分開，無疑就降低了真空的熵值。我們得到的能量，可以用來驅動機器——這就是由真空能量驅動的第二類永動機。說到這裡你肯定看出來了，從真空中提取負能量的想法違反了熱力學第二定律。要想從真空中源源不斷的獲取能量，我們只能養一隻普朗克長度的麥克斯韋妖精，讓它在正反粒子對出現的瞬間，拿走其中一個。

大自然非常固執的堅持，負能量必須和正能量混合在一起。一份負能量必定和相應的正能量緊密相隨。你想要得到的負能量密度越大，它存在的範圍就越小。比如，在卡西米爾效應中，兩片金屬板距離越近，中間的負能量密度就越高。如果我們用卡西米爾效應的方式製造負能量，它的存在範圍比普朗克長度大不了多少，這樣的微型蟲洞連一個質子都鑽不過去。同時，如果你想要負能量和正能量分離的越遠，你能得到的負能量就越小。即使你願意付出正能量作為代價，要取得宏觀尺度的負能量也十分困難。

我們可以設想用一個盒子來捕捉負能量。由於負能量總是和正能量混合，我們可以設法在負能量波動進入盒子之後，而伴隨它的正能量進入之前關上盒子，這樣就得到了分離的負能量。然而，關上盒子這個動作卻會在盒子里產生一份正能量，把盒子里的負能量抵消掉，讓我們費盡心機的捕捉行動無功而返。

所以，負能量雖然無處不在，但是我們卻無法在宏觀尺度上獲取。同時，要維持蟲洞和曲率引擎所需要的負能量卻大得驚人（和大行星的質量差不多）。

這個問題讓我們對於蟲洞和曲率引擎的美好憧憬只能停留在科幻小說，也把人類文明限制在可觀察宇宙（甚至太陽系）中，無法邁向無垠的星辰大海。

via：Mandelbrot（知乎）

編輯：Jade

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