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撰文 | 張華

以前說到蟲洞，大都與星際旅行這個話題有關(guān)。因為宇宙太大，而人類的飛行器速度太慢，我們的壽命也很短，所以要跨越遙遠(yuǎn)的星際空間幾乎是不可能完成的任務(wù)。比如距離太陽最近的恒星位于半人馬座，與我們大約相隔4光年，就算以光速的百分之一飛行，也要需要400年時間才能抵達(dá)這里；而太陽距離銀河系中心則是26 000光年，所以在當(dāng)前的技術(shù)水平下，前往銀河系中心幾乎是一個遙不可及的夢想。最近人類拍攝到的第一張黑洞照片，則位于距離太陽系5500萬光年的遙遠(yuǎn)星空，人類的肉身怎么可以穿越這遙遠(yuǎn)的星辰大海？

于是，大家總是說，想要穿越遙遠(yuǎn)的星際空間，只能依靠蟲洞。但是，最新的蟲洞研究告訴我們，通過蟲洞實現(xiàn)星際旅行可能并不是最佳選擇。

要理解最新的蟲洞研究，需要先看看蟲洞研究的歷史。

1935年，愛因斯坦與羅森在研究廣義相對論的時候發(fā)現(xiàn)了“愛因斯坦與羅森橋”，這是一種不可穿越的蟲洞——所謂“不可穿越”，就是不能在有限的時間內(nèi)通過這個蟲洞，所以這種蟲洞在現(xiàn)實中并沒有實際意義。

這種尷尬的局面一直持續(xù)了整整50年才有所改變。1985年，美國康奈爾大學(xué)的天文學(xué)家與科學(xué)作家卡爾·薩根（Carl Edward Sagan）寫了一本科幻小說《接觸》(Contact)。這部小說描述了人類通過蟲洞穿越到了距地球 26 光年的織女星附近，然后與外星文明接觸，最后順利返回地球。

這部小說可以看成是人類第一次提出了“可穿越蟲洞”的概念——所謂“可穿越蟲洞”，意思就是說人類可以在有限的時間內(nèi)穿越蟲洞并返回。

在寫這部小說的過程中，卡爾·薩根一開始也對這個領(lǐng)域也沒有太多研究，他錯誤地把蟲洞寫成了黑洞。但他請教了他的一位老朋友——加州理工學(xué)院的物理學(xué)家基普·索恩（Kip Thorne）教授，后者建議他把黑洞換成蟲洞來作為星際旅行的工具。

在和卡爾·薩根交流時，索恩知道黑洞不能用于星際旅行，于是他想到了他的導(dǎo)師約翰·惠勒（John Wheeler）在十幾年前提出的“蟲洞”概念。

但惠勒的蟲洞概念也僅僅是一個概念，沒有任何物理計算細(xì)節(jié)。所以索恩與他的學(xué)生邁克·莫里斯（Mike Morris）一起，開始用正統(tǒng)的廣義相對論知識對蟲洞物理學(xué)展開研究，并在兩年后發(fā)布了研究論文。這篇論文發(fā)表在《美國物理雜志》（American Journal of Physics）上，標(biāo)題是“時空中的蟲洞及它們在星際旅行中的應(yīng)用：講授廣義相對論的工具”（Wormhole in spacetime and their use for interstellar travel: A tool for teaching general relativity）。

這張圖片來自索恩的蟲洞論文，直線表示蟲洞的一個入口在時空中的軌跡（世界線），曲線是蟲洞的出口在時空中的軌跡。世界線上的阿拉伯?dāng)?shù)字表示出口與入口當(dāng)?shù)氐臅r間。

蟲洞是連接出口與入口的一個隧道，在索恩的蟲洞模型中，蟲洞很短，穿越這個蟲洞所需要的時間可以近似為零。在這種情況下，當(dāng)一個人從蟲洞的入口進(jìn)入，再從蟲洞的出口出來，隨后他在沿著蟲洞返回入口，他有可能穿越到自己的過去，這將引起祖父悖論。

索恩與他的學(xué)生在論文中提出的觀點大致是這樣的：愛因斯坦的引力場方程的左邊是空間曲率，而右邊是能量動量張量。對愛因斯坦引力方程的分析表明，要想產(chǎn)生可穿越的蟲洞，引起這種時空彎曲的物質(zhì)所對應(yīng)的能量動量張量必須違反平均類光能量條件。也就是說，想要制造出一個人類可以往返穿越的蟲洞，必須消耗巨大的負(fù)質(zhì)量物質(zhì)來撐住這個隧道——否則這個隧道很容易“塌方”。根據(jù)愛因斯坦的狹義相對論，質(zhì)量與能量是等價的，所以負(fù)質(zhì)量意味著負(fù)能量——但宇宙中根本就不存在大規(guī)模的負(fù)能量，所以要想打開可穿越的蟲洞似乎是不可能的。

根據(jù)廣義相對論，違反平均類光能量條件是所有可穿越蟲洞的先決條件。換句話說，如果要想穿越蟲洞，相當(dāng)于要求經(jīng)過蟲洞的類光測地線（也就是以光速運動的粒子）不能在蟲洞里匯聚，而這需要用到印度的一位著名物理學(xué)家瑞查德符里（Amal Kumar Raychaudhuri）提出的方程。通過瑞查德符里的方程可以看出，在蟲洞中，光線只有在物質(zhì)場的能量動量張量違反平均類光能量條件下才不會撞上奇點——在這種情況下，聚焦在蟲洞一端的光線在離開蟲洞的另一端時會散開，這樣才可以順利從蟲洞中逃出來。

但是，這個世界上不存在違反平均類光能量條件的物質(zhì)。因此，在這個意義上，蟲洞就算能因為量子效應(yīng)瞬間產(chǎn)生，也往往會自毀。正因為蟲洞天生就喜歡自我崩塌，所以到了后來，索恩也感覺到蟲洞很難實現(xiàn)，甚至不可能存在，于是他說“蟲洞需要有高級文明有意識的去創(chuàng)造和維持。”隨后，索恩就去研究引力波了。

最近幾十年來，索恩把興趣點從蟲洞研究轉(zhuǎn)移到了引力波探測，并且在2017年因為人類首次探測到引力波獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。

但蟲洞的研究并沒有停止。而且，蟲洞研究的基本思想在近10年已經(jīng)發(fā)生了很大的改變。

蟲洞研究的新思想來源可以概括為一個物理公式，那就是由普林斯頓高等研究院的胡安·馬爾達(dá)西那（Juan Maldacena）和斯坦福大學(xué)的倫納德·薩斯坎德（Leonard Susskind）在2013年提出的“ER = EPR”。這個公式第一次把蟲洞與量子糾纏聯(lián)系在了一起。

ER 的全稱為 Einstein-Rosen（愛因斯坦-羅森）橋，這在本文一開始我們已經(jīng)提到過。這是愛因斯坦和納森·羅森（Nathan Rosen）在研究廣義相對論方程時提出的一種不可穿越的蟲洞。

而 EPR 則是 Einstein-Podolsky-Rosen（愛因斯坦－波多爾斯基－羅森）這三位科學(xué)家的姓名的首字母縮寫。波多爾斯基（Boris Podolsky）是一名俄籍美國物理學(xué)家。EPR 在物理中描述的是一對相互糾纏的粒子。

本來，ER與這 EPR兩個概念風(fēng)馬牛不相及，因為愛因斯坦-羅森橋是描述大尺度宏觀現(xiàn)象的廣義相對論的產(chǎn)物，而 EPR 對則是對微觀世界的量子糾纏行為的描述，而且量子糾纏在大尺度上很容易因為退相干而消失。

但到了2013年，曾因提出ADS/CFT對偶理論而名聲大噪的馬爾達(dá)西那與薩斯坎德拋出了重磅炸彈“ER = EPR”。如果把黑洞視為量子系統(tǒng)而不是經(jīng)典物體，那么就可能出現(xiàn)由兩個高度糾纏的黑洞組成的系統(tǒng)。對這種糾纏態(tài)進(jìn)行仔細(xì)研究，就會發(fā)現(xiàn)這種糾纏態(tài)對應(yīng)的時空可以看成一個不可穿越的蟲洞連接了兩個黑洞，這就是“ER = EPR”的真正含義。

繪圖：Malcolm Godwin

值得注意的是，ER與EPR 這兩篇論文的作者里，都有愛因斯坦和羅森，而且都是在1935年發(fā)表的，前后相差2個月。更加令人驚訝的是，80年后，馬爾達(dá)西那與薩斯坎德發(fā)現(xiàn)，這兩篇文章本質(zhì)上說的是同一件事情。他們推測，任何一對糾纏量子系統(tǒng)都是由愛因斯坦-羅森橋（不可穿越蟲洞）連接的。

在ER=EPR的基礎(chǔ)上，哈佛大學(xué)的丹尼爾·賈弗里斯（Daniel Jafferis）與高蘋，以及來自斯坦福大學(xué)的阿倫·沃爾（Aron Wall）開始了新蟲洞研究。高蘋是一位年輕的中國科學(xué)家，他從清華大學(xué)物理系畢業(yè)后，就去了哈佛大學(xué)物理系攻讀博士學(xué)位。

賈弗里斯、高蘋以及沃爾提出的蟲洞方案與索恩的不同，前者的新蟲洞不適合長距離的星際旅行，因為他們所刻畫的蟲洞連接的是兩個距離很近的黑洞。而且，“穿過這些蟲洞比直接旅行更慢”。他們對長距離的星際旅行持悲觀態(tài)度。

但有一點是可以肯定的，那就想要打開可穿越的蟲洞，必須有大量的負(fù)質(zhì)量。問題的關(guān)鍵在于，負(fù)質(zhì)量物質(zhì)從什么地方來。

負(fù)質(zhì)量在經(jīng)典物理學(xué)的意義上是不可能出現(xiàn)的，但是，量子力學(xué)卻可以產(chǎn)生負(fù)質(zhì)量。最著名的例子是卡西米爾效應(yīng)——比如兩塊平行金屬板之間的電磁真空狀態(tài)，理論與實驗結(jié)果都表明，金屬板之間的真空態(tài)具有負(fù)能量，這被稱為卡西米爾能量。這種負(fù)能量可以被視為負(fù)質(zhì)量。因此，卡西米爾效應(yīng)說明，量子力學(xué)可以實現(xiàn)負(fù)質(zhì)量，并有助于創(chuàng)造一個可穿越的蟲洞。正如前文描述的那樣，可穿越蟲洞的技術(shù)細(xì)節(jié)是要得到一個違反平均類光能量條件的能量動量張量，換句話說，可穿越蟲洞的維持要求具有負(fù)的平均類光能量的物質(zhì)場（因為根據(jù)愛因斯坦的廣義相對論，物質(zhì)場引起時空的彎曲）。

三年前，賈弗里斯、高蘋與沃爾研究了兩個永恒的BTZ黑洞邊界的相互作用之后，他們發(fā)現(xiàn)了在這里可以產(chǎn)生一個具有負(fù)平均類光能量的量子物質(zhì)能量動量張量，這個情況等價于出現(xiàn)了負(fù)質(zhì)量，所以其反引力作用可以使愛因斯坦-羅森橋勉強(qiáng)可穿越（BTZ黑洞是一種反德西特時空中的二維黑洞，但他們的結(jié)論對三維空間中的黑洞同樣成立）。這時，蟲洞就是可穿越的，如果一個人跳進(jìn)一個黑洞，他可以從另一個黑洞逃脫。

高蘋在接受采訪時說，“量子糾纏等價于不可穿越的蟲洞，但加上負(fù)質(zhì)量物質(zhì)后，這個蟲洞就變得可穿越了。所以兩個黑洞實際上在視界之后是連接起來的。如果一個人跳進(jìn)第一個黑洞的時候速度足夠快，那么它實際上很接近第二個黑洞的視界，雖然這個人還在黑洞里面。然后，我們用量子的相互作用產(chǎn)生負(fù)能量的物質(zhì)，當(dāng)這個負(fù)能量的物質(zhì)進(jìn)入黑洞的時候，在黑洞里的人一旦碰到負(fù)能量物質(zhì)，他就可以被推出來。”

高蘋強(qiáng)調(diào)，雖然這兩個黑洞在空間上的距離很近，但實際上連接它們的蟲洞非常長。

在傳統(tǒng)的蟲洞研究中，一個核心的問題在于，如果一個人穿越蟲洞的時間太短，而在空間上移動很大的距離。比如在1秒鐘內(nèi)從地球穿越到了銀河系中心，那么這在外部世界看來就是超光速的運動。這種穿越行為一定會違反相對論的因果性，最后產(chǎn)生悖論。

1988年，索恩證明了如果蟲洞很短，那么人就通過蟲洞回到過去。這是一個非常有趣的結(jié)果，但這會引發(fā)悖論。因為如果通過蟲洞的時間很短，那么根據(jù)簡單的狹義相對論就可以證明利用蟲洞就可以做出時間機(jī)器回到過去，但這個時候會產(chǎn)生因果性的問題，比如一個人可以回到過去殺了祖父，這樣就會產(chǎn)生“祖父悖論”。

“祖父悖論”說的是，假如一個叫小王的人可以回到過去，那么他就可以殺死自己的爺爺，當(dāng)時他爺爺還只是一個兒童，沒有結(jié)婚生子，所以小王的父親就不會出生，因此小王沒有父親，小王也不能出生，那他又是怎么回到過去殺死自己的爺爺?shù)哪?？因此這是一個悖論。這個悖論說明，回到過去是不可能的。

因此，從祖父悖論這種邏輯推理可以看出，可穿越的蟲洞就算存在，也一定要避免產(chǎn)生祖父悖論這樣的因果性疑難。

賈弗里斯、高蘋和阿倫·沃爾的理論是通過一些量子效應(yīng)，使得不可穿越的蟲洞變得可以穿越，但他們的新蟲洞并沒有破壞因果性，因為在他們的模型中，蟲洞非常長，在蟲洞里旅行需要花費很長的時間——因為在蟲洞中穿行的時間比在蟲洞外更長，所以這不會引起祖父悖論。

高蘋在接受采訪時表示，“兩個黑洞可以由蟲洞連接，這兩個黑洞之間的距離很近，同時它們之間存在很強(qiáng)的量子糾纏。我們的研究表明，連接這兩個黑洞的蟲洞非常長，人類在這個蟲洞中旅行需要花費很長的時間，所以在蟲洞中躲避星際戰(zhàn)爭是可能的。”

因此，新蟲洞并不是做星際旅行的最佳選擇，相反，新蟲洞可以被看成是一個世外桃源，是一個可以長時間呆在里面躲避外部星際戰(zhàn)爭的桃花島。