奇妙的蟲洞：危險與希望並存

《星際穿越》引發了觀眾對大量天文物理名詞的極大興趣。黑洞、引力彈弓、彎曲時空、潮汐力、蟲洞等等。其中大家也對蟲洞有著不深不淺的理解。除了在電影中我們目睹到在蟲洞上奇妙的特技，在科學上，我們要探討一下關於蟲洞更多的知識。

圖為蟲洞模擬圖

蘋果：蟲洞命名的靈感源

天體物理學中的蟲洞一詞由約翰·惠勒提出，靈感來自蘋果中的蟲洞。

對於一隻在蘋果上爬行的螞蟻來說，蘋果的表面是它的整個宇宙。如果蘋果中有一個蟲洞，那麼這隻螞蟻從蘋果的頂部到達底部會有兩條途徑：沿著蘋果的表面（也就是螞蟻的宇宙），或者穿過蟲洞。蟲洞這條路顯然更近，它是螞蟻從自己宇宙中的一點到達另一點的捷徑。

圖為爬在蘋果上的螞蟻來類比蟲洞

蟲洞穿過了蘋果那鮮美的果肉，而這果肉部分不屬於螞蟻的宇宙。對於生活在二維宇宙的螞蟻來說，蘋果內部是三維的超體或高維超空間。蟲洞的壁可以被視為螞蟻二維宇宙的一部分，因為蟲洞的壁和螞蟻的宇宙擁有同樣的維度（二維），並且在蟲洞的入口處與這個宇宙（也就是蘋果的表皮）是相連的。在另一種觀點中，蟲洞的壁並不是螞蟻宇宙的一部分，而只是螞蟻穿越超體，從宇宙的一點到達另一點的捷徑。

福拉姆蟲洞：最早的蟲洞

1916年，也就是愛因斯坦剛剛把廣義相對論的物理定律公式化之後的那一年，維也納的路德維希·福拉姆發現，愛因斯坦廣義相對論方程的一個解可以描述蟲洞。現在我們知道愛因斯坦方程的很多種解都可以描述不同形狀和性質的蟲洞。但是，路德維希·福拉姆的蟲洞解描述的是其中唯一一個嚴格球對稱並且其中不含任何引力物質的蟲洞。如果我們截取福拉姆蟲洞的中央切片，那麼它和我們的宇宙都將是二維的而不是三維的。如果從三維超體中觀察我們的宇宙和蟲洞，那麼我們會看到類似下圖左側部分的現象：

由於圖片中的宇宙比我們的宇宙少一個緯度，所以我們就得想像自己也是二維生物，並且只能在圖中所示的曲面上或者二維蟲洞壁上行動。那麼這時，由A點到B點將有兩條路徑，較短的路徑是沿著蟲洞的壁運動，並且穿越蟲洞由A點到達B點（圖中藍色虛線）；而較長的路徑是沿著彎曲的二維曲面，也就是現在假象的宇宙，繞個大圈最終由A點到達B點（圖中紅色虛線）。

當然，我們的宇宙實際上是三維的，上圖中左半部分中表現蟲洞入口曲率變化的同心圓，在現實宇宙中其實是一系列嵌套在一起的同心球殼。如果你沿著藍色虛線從A點進入蟲洞，那麼你會發現球殼將變得越來越小。然後，儘管這些球殼是內層嵌套的，但它們的尺寸會停止變化。之後，在你離開蟲洞走向B點的時候，球殼又會變得越來越大。

在福拉姆發表他的研究結論之後的19年里，物理學家們幾乎沒有注意到他關於蟲洞的研究，儘管這一關於愛因斯坦方程的解是如此令人震驚。而後在1935年，愛因斯坦本人和同領域的物理學家內森·羅森在不知道福拉姆研究結論的情況下重新得到了福拉姆19年前得到的解，研究了福拉姆蟲洞的性質，並且探討了此類蟲洞在真實宇宙中存在的意義。其他物理學家當時也沒有意識到福拉姆的研究結論，開始把福拉姆蟲洞稱為「愛因斯坦-羅森橋」。

可穿行蟲洞的構想

任何可穿行的球對稱蟲洞一定是由某種具備負能量的物質支撐著的（這裡的負能量指的是與能量方向相反的能量，在愛因斯坦的質能守恆方程里，質量和能量是等效的）。這些物質的能量至少要和光束（或者近似光速運動的物體）穿行蟲洞時所承受的負能量相當。這種具有負能量的物質稱為「奇異物質」。

基普·索恩教授和他的兩名學生一起發表了兩篇關於「可穿行蟲洞」的科技文章。

他們提出：通過結合量子定律和廣義相對論物理定律，一個高度發達的文明是否可以在蟲洞中放入足夠多的奇異物質來使之保持連通？但這個問題過去了三十多年，依然沒有回答。絕大多數研究結果給出了否定的答案，「可穿行蟲洞」也許不可能存在。我們離最終的答案還有很長很長的路要走。

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