如何才能真正穿越虫洞？

尽管广义相对论不允许“可穿越虫洞”的存在，但最近的一项研究指出，在量子物理学领域，虫洞实际上可存在

　　虫洞是科幻小说中最受欢迎的题材之一，航天器可以通过虫洞实现超光速旅行，从时空的一个点瞬间移动到另一个点。尽管广义相对论不允许“可穿越虫洞”的存在，但最近的一项研究指出，在量子物理学领域内，虫洞实际上是可能存在的。

　　唯一的缺点是，穿过虫洞的时间可能要比穿过正常空间的时间更长，而且（或者）这些虫洞可能是微观的。在一项新研究中，两位常春藤科学家提出，如果存在标准模型之外的物理学理论，可能就意味着虫洞的大小不仅足以穿越，而且对于从A点到B点的人类旅行者来说，穿越虫洞将是十分安全的。

　　这项研究的题目是《人类可穿越的虫洞》（Humanly traversable wormholes），由普林斯顿高等研究院的理论物理学家胡安·马尔达塞纳（Juan Maldacena）和普林斯顿大学天体物理学研究生阿列克谢·米莱金（Alexey Milekhin）共同完成。此前，这两位研究者已经撰写了大量关于虫洞的文章，并深入探讨了虫洞如何成为一种穿越太空的安全工具。

　　关于虫洞的理论出现在20世纪早期，以回应爱因斯坦的广义相对论。第一位假设虫洞存在的是德国物理学家和天文学家卡尔·史瓦西（Karl Schwarzschild），他对爱因斯坦场方程的解（Schwarzschild metric，又称史瓦西解、史瓦西度规）获得了黑洞存在的第一个理论基础。

　　史瓦西解的一个结果便是他所谓“永恒的黑洞”，本质上是时空中不同点之间的连接。然而，这些“史瓦西虫洞”（又称“爱因斯坦-罗森桥”）并不稳定，因为任何物体从一端穿越到另一端时都会很快坍塌。

　　正如马尔达塞纳和米莱金所解释的那样，可穿越虫洞需要特殊的环境才能存在。其中就包括负能量。在经典物理学中，负能量是不允许存在的，但在量子物理学领域中是可能的。他们声称，卡西米尔效应（Casimir Effect）就是一个很好的例子，即量子场在沿着闭合圆环传播时能够产生负能量。

　　“然而，这种效应通常很小，因为是量子效应。在我们之前的论文《在四维中可穿越的虫洞》（Traversable wormholes in four dimensions）中，我们意识到，这种效应对于具有大磁荷的黑洞来说是相当可观的。在新的理论中，我们使用了带电荷的无质量费米子（类似电子但质量为零的粒子）的特殊性质。对于带磁荷的黑洞，这些粒子会沿着磁场线运动（在某种程度上类似于太阳风的带电粒子在地球极地附近产生极光）。”

　　这些粒子可以先进入一个点，然后绕圈运动，从空间中一开始的位置出现。这一事实意味着“真空能量”能够被修改，并且可以是负的。这种负能量的存在又能够支持稳定的虫洞的存在，使其作为时空点之间的桥梁，在物体有机会穿越它之前不会坍塌。

宇宙飞船穿过虫洞到达遥远的星系（想象图）

　　基于物质是粒子物理学标准模型的一部分，这样的虫洞是可能的。唯一的问题是，这些虫洞必须十分微小，而且只能在非常小的距离内存在。对于人类旅行者来说，虫洞必须足够大才能穿越，这就需要用到超出标准模型的物理学理论。

　　对马尔达塞纳和米莱金而言，这就是第二类蓝道尔-桑德鲁姆模型（Randall-Sundrom II，又名五维卷曲几何理论）开始发挥作用的时候。该模型以理论物理学家丽莎·蓝道尔（Lisa Randall）和拉曼·桑德鲁姆（Raman Sundrum）的名字命名，从五维的角度描述了宇宙，其最初提出是为了解决粒子物理学中的一个层次结构问题。

　　研究者称：“第二类蓝道尔-桑德鲁姆模型是基于这样一种认识，即这种五维时空也能以较低的能量来描述物理，这种能量比我们通常研究的更低。但是，我们可能会探测不到这种五维时空，因为它只通过引力与我们的物质耦联。事实上，它的物理学类似于在已知的物理学中加入许多强相互作用的无质量场，从而产生所需的负能量。”

　　马尔达塞纳和米莱金得出结论，这些虫洞从外部来看，将类似于中等大小的带电荷黑洞，会产生同样强大的潮汐力，这是航天器需要警惕的。他们指出，要安全穿越这种虫洞，人类旅行者在通过其中心时将需要一个非常大的助推因子。

　　假设这一切都可以实现，那么问题就来了：这些虫洞是否可以作为时空两点之间的捷径？哈佛大学的丹尼尔·贾弗里斯（Daniel Jafferis）此前的研究，以及爱因斯坦和纳森·罗森（Nathan ）的工作表明，尽管稳定的虫洞有可能存在，但穿越它们实际上需要比穿越普通空间更长的时间。

　　然而，根据马尔达塞纳和米莱金的研究，从旅行者的角度来看，他们的虫洞几乎不需要花什么时间就能穿过。从局外人的角度来看，穿越的时间将会长得多，这与广义相对论是一致的。在广义相对论中，接近光速的人将会经历时间膨胀（即时间变慢）。正如马尔达塞纳和米莱金所说：

　　“对于宇航员来说，穿越虫洞意味着他们只需要1秒时间就能够穿越10000光年的距离（大约是银河系大小的十分之一）。而在外面的观察者看来，这一穿越过程需要一万多年的时间。这一切都不需要燃料，因为引力会使飞船加速和减速。”

　　不需便是穿越这些虫洞的另一个好处，因为虫洞本身的引力会使宇宙飞船加速和减速。在太空探索的场景中，飞行员需要驾驭虫洞的潮汐力，使他们的飞船处于合适的位置，然后让虫洞来完成余下的工作。一秒钟之后，飞船就会出现在银河系的另一边！

　　对一些人来说，这一研究非常令人鼓舞，因为虫洞有可能在未来成为太空旅行的手段。不过，马尔达塞纳和米莱金的工作也具有一些明显的缺点。首先，他们强调可穿越虫洞必须使用负质量来设计，因为已知没有合理的机制使其能自然形成。

　　尽管存在可能性（至少在理论上），但必要的时空配置需要提前出现。即便如此，虫洞所涉及的质量和规模如此之大，以致于这项任务将超出我们所能预见的任何实用技术。其次，这些虫洞只有在空间为寒冷、平坦的情况下才足够安全，而在第二类蓝道尔-桑德鲁姆模型之外，情况并非如此。

　　最重要的是，任何进入虫洞的物体都会加速，甚至无处不在的宇宙背景辐射也会带来巨大的危险。但马尔达塞纳和米莱金强调，他们的研究是为了证明可穿越虫洞的存在是“广义相对论和量子物理学之间微妙的相互作用”的结果。

　　简而言之，虫洞不太可能成为一种穿越空间的实用方式，至少还不存在任何可预见的方式。也许制造这种虫洞没有超出卡尔达肖夫Ⅱ型或Ⅲ型文明（Ⅱ型文明为星际或恒星文明，能利用其他行星的所有能量；Ⅲ型文明为星系文明，能在自己的星系范围内利用所有能量），但仍只是一种猜测。即便如此，当看到科幻小说中重要的元素有可能成为现实，还是相当令人鼓舞的。（任天）