汪诘｜黑洞史话 13：神奇的虫洞

在《星际穿越》中，那个悬浮在土星旁的虫洞，宛如一颗镶嵌在宇宙中的神秘水晶球，它既是人类穿越深空的希望，也是点燃我们科学好奇心的火花。那么，这样神奇的“星际任意门”，真的有可能存在吗？

电影中的宇宙奇观

如果你看过电影《星际穿越》的话，一定不会忘记当永恒号飞近土星时看到的景象。

《星际穿越》中飞跃土星电影截图

在土星那壮丽的光环下方，是一个无声旋转的、由亿万冰晶组成的瑰丽光带，它们反射着遥远太阳的微光，像一条铺在黑色天鹅绒上的钻石星河。而就在这条星河的尽头，悬浮着一个绝对不应该存在于此的东西。

它不是一颗行星，也不是一颗卫星。它是一个完美的球体，表面光滑如镜，却又不像镜子那样反射着周围的环境。恰恰相反，它似乎吞噬了光线，又从内部吐出了一片完全陌生的、扭曲的星空。它就那样静静地挂在那里，像一颗凝固在时空中的巨大水滴，又像上帝遗落在太阳系里的一只玻璃眼球。

在永恒号飞船的舷窗外，是人类第一次亲眼目睹的、只存在于最疯狂的物理学猜想中的宇宙奇迹——一个虫洞。一个由神秘的“他们”放置在太阳系门口的、连接着两个遥远时空的宇宙“任意门”。

正是通过这个时空捷径，人类才得以跨越 100 亿光年的距离，抵达黑洞“卡冈图雅”所在的星系，开启了那场寻找新家园的悲壮远征。

这个设定，无疑是整部电影能够成立的基石。但它也立刻在所有观众心中，画上了一个巨大的问号：这样一个如同“星际高速公路”般的时空捷径，真的有可能存在吗？它仅仅是科幻作家的奇思妙想，还是在严肃的科学理论中有迹可循呢？

“爱因斯坦-罗森桥”与虫洞

要回答这个问题，我们需要将时钟，拨回到 1935 年。那一年，爱因斯坦与他的助手纳森·罗森（Nathan Rosen）正在研究广义相对论方程的一个奇特解。他们在纯粹的数学计算中发现，一个最简单的史瓦西黑洞的时空结构，似乎可以被无限地延伸，最终与另一个“相同”的时空相连接。

这个连接两个时空的数学“管道”，就是最初的虫洞模型，它在物理学上，有一个更正式的名字——“爱因斯坦-罗森桥”。为了叙述方便，后面我把这个简称为“爱罗桥”。

在这里，我想先澄清一个常见的误解：虫洞是两个黑洞相连吗？

很多科普和科幻作品，都喜欢将虫洞描绘成“两个黑洞的连接”，或者“一头是黑洞，另一头是白洞”的隧道。但从现代物理学的角度来看，这种说法是不准确的。

“爱罗桥”这个最初的模型，确实是从史瓦西黑洞的数学解中“长”出来的，但它更像是一个理论上的“孪生兄弟”，而非黑洞本身的一部分。更重要的是，我们后来发现，爱罗桥是一个“不可穿越”的管道，它不可能成为后来惠勒所命名的“虫洞”。

而基普·索恩等人后来深入研究的“可穿越虫洞”，则是一个与黑洞完全不同的时空结构。一个可穿越的虫洞，没有事件视界，也没有奇点。宇航员可以自由地双向通行，而不会像掉进黑洞那样，面临有去无回的单程命运和被奇点摧毁的结局。所以，请记住，虫洞就是虫洞，它不是黑洞，也不是黑洞和黑洞、黑洞和白洞的组合，它们是两种本质完全不同的时空几何体。

爱罗桥在刚被提出来的时候，并没有引起太大的轰动，爱因斯坦和罗森本人也没有太当回事。它更像是一个数学上的“副产品”，一个理论上的可能性，没有人认为它在真实的宇宙中，有任何实际的意义。为什么？因为这个“爱罗桥”，实在是太“脆弱”了。它的时空结构本身就是极其不稳定的。

如果要打个比方的话，它就像在阳光下，用一个肥皂泡吹出来的隧道。阳光的热量必然会让肥皂泡很快崩溃，在“爱罗桥”构成的时空中，引力就像是阳光。你刚看到它形成，它就在下一个瞬间，因为自身的引力，而猛然向内坍缩了。它的“喉咙”——也就是连接两个时空的最窄处——关闭的速度，甚至比光速还要快。

这意味着，没有任何东西，哪怕是光，能够从这个“桥”的一端，顺利地跑到另一端。在你刚刚踏上桥头的瞬间，整座桥就已经在你面前崩塌了。在长达半个世纪的时间里，它都只是静静地躺在物理学家的方程里，被认为是一个有趣的、但却毫无用处的数学游戏。是的，爱因斯坦本人也是这么认为。

爱因斯坦-罗森桥在 1957 年被物理学界的“起名大师”约翰·惠勒称为“虫洞”，这个概念后来变得越来越流行，与这个有趣又形象的名字关系很大。

惠勒在一次演讲中说：“想象一下，我们的宇宙，就是一只苹果的表面。一只蚂蚁，想要从苹果的顶端，爬到底部。在它看来，这是一段非常遥远、曲折的漫漫长路。这，就相当于我们在三维空间中，进行常规的星际旅行。但是，如果有一条蛀虫，从苹果的内部，直接蛀出了一条通道，连接了苹果的顶端和底部呢？对这只蚂蚁来说，它就有了一个选择。它可以不再辛苦地绕着苹果皮爬行，而是直接钻进这条由蛀虫打通的隧道——一条‘虫洞’（Wormhole）——从而以一个极短的距离，就抵达了目的地。”

约翰·惠勒与虫洞

这个比喻是如此的贴切和巧妙，以至于“虫洞”这个名字，很快就取代了拗口的“爱因斯坦-罗森桥”，成为了这个概念最深入人心的代名词。它完美地诠释了虫洞的本质：它不是在空间中进行超光速旅行，而是通过一条更高维度的捷径，来缩短空间本身的距离。

不过，从它的提出到真正受到理论物理学家的重视，那又要过去将近 50 年，直到另一位科学巨匠的出现，以及一个来自科幻世界的“请求”，才彻底改变了这一切。

让“虫洞”可穿越

这位巨匠，就是我们已经非常熟悉的，基普·索恩。而那个“请求”，则来自于他的挚友，著名的天文学家、科普作家，也是引领我走向科普道路的卡尔·萨根（Carl Sagan）先生。

卡尔·萨根（Carl Sagan）

事情是这样的，上世纪 80 年代，萨根正在创作他的科幻小说《接触》（Contact），也就是后来被改编成同名经典电影的《超时空接触》。关于这个故事，我在我的付费专辑《科幻世界漫游指南》中详细讲过，大家有兴趣可以去听。在这个故事里，女主角需要一种科学上“说得过去”的方式，进行一次快速的星际旅行。作为一个严谨的科学家，萨根不希望在他的小说里，出现像“曲速引擎”那样完全架空的超光速飞行概念。于是，他找到了当时已经是引力物理学界权威的基普·索恩，向他请教：“基普，我想让我的主角掉进一个黑洞，然后从另一个地方出来，这在物理上成立吗？”

索恩立刻就否定了这个想法。他告诉萨根，掉进一个真实的黑洞，唯一的结局，就是在奇点上被摧毁，那是一条有去无回的单程路，没有任何我们已知的物理定律可以改变这一切，这条路肯定行不通。

但是，萨根的这个问题，却像一颗石子，投入了索恩平静的思考之湖。他开始重新审视那个被遗忘了半个世纪的“爱因斯坦-罗森桥”。一个问题，开始在他的脑海中盘旋：有没有一种可能，让这个“不可穿越”的虫洞，变得“可以穿越”呢？

这个问题，开启了理论物理学的一个全新研究方向。索恩和他的学生们，开始用最严谨的数学工具，去计算维持一个虫洞开启所需要的物理条件。很快，他们就得出了一个惊人的结论：

要想让虫洞的“喉咙”保持张开，对抗住时空自身的引力坍缩，你就必须在它的喉咙里，塞满一种拥有负能量密度的、能够产生排斥引力的奇特物质。这种只存在于理论中的、拥有反引力特性的物质，被物理学家们称为“奇异物质（Exotic Matter）”。

这里我想解释一下基普·索恩设想的奇异物质和魔幻小说中出现的各种天马行空的宝物是不同的，奇异物质是在现有的物理理论中允许存在的物质，而魔幻小说中的宝物往往没有任何物理基础。

那么，为什么说奇异物质是有可能存在的呢？让我们深入理解一下这背后的物理学。根据广义相对论，我们熟悉的普通物质（比如恒星、行星，甚至我们自己），它们的能量密度都是正的，它们的作用是让时空像蹦床一样向下弯曲，从而产生我们所体验到的“引力”。而奇异物质则拥有负能量，关于负能量的概念我在《时空的华尔兹》那期节目中已经详细说过，这里不再赘述。在相对论中，能量和质量是一体两面，所以负能量对应的就是负质量。在广义相对论中，负质量会让时空像被一只无形的手从下面托起一样，产生向上的弯曲。

所以，当一个虫洞的喉咙因为自身的引力想要向内坍缩时，如果你在里面填满了这种“奇异物质”，它产生的“反引力”就会像一个强大的千斤顶一样，向外推开时空的墙壁，强行将这个时空隧道撑开，让它变成一个稳定、开放的通道。

你不要以为负能量只存在于物理学家们的想象中，实际上，这是一种被真实观察到的现象。比如著名的“卡西米尔效应”，物理学家们通过实验证实，真空中确实可以存在短暂的、局部的负能量区域。

那么，一个足够先进的文明，要如何制造虫洞呢？

基普·索恩和他的同事们，真的从纯理论的角度，构想过一套匪夷所思的“施工方案”。这个方案听起来，比任何科幻小说都要疯狂。

第一步：深入量子泡沫。根据现代物理学的观点，在普朗克尺度（大约10-35米）这个最微观的层面上，时空不再是平滑的，而是一片混乱的、不断沸腾的“量子泡沫”。在这里，微型虫洞和“婴儿宇宙”可能在不断地自发产生和湮灭。一个超级文明，首先需要有能力深入到这个层面，像大海捞针一样，“捕获”一个刚刚诞生的微型虫洞。

第二步：暴力撕开时空。捕获到这个比原子核还要小无数倍的虫洞后，他们需要用某种方法，瞬间向其内部注入难以想象的巨大能量，将它从普朗克尺度，暴力地“吹”到一个宏观的、可供飞船穿越的尺寸。

第三步：“奇异物质”加固。在虫洞被吹开的瞬间，它会立刻想要坍缩。所以，这个超级文明必须在同一时间，将天文数量的“奇异物质”，精准地“灌注”到虫洞的喉咙里，像建筑工人用钢筋混凝土加固隧道一样，将这个时空隧道永久地撑开。

完成了这三步，一座连接两个遥远时空的“星际高速公路”，才算初步建成。

那么，在我们的宇宙中，会存在天然的虫洞吗？

换句话说，有没有可能，在宇宙大爆炸的洪荒年代，就已经天然地形成了一些宏观的、可穿越的虫洞呢？

这是一个让物理学家们着迷的问题。一些理论认为，在宇宙诞生最初的、被称为“暴胀”的那个瞬间，时空以远超光速的速度急剧膨胀。在这个过程中，那些在量子泡沫中随机产生的微型虫洞，完全有可能被暴胀过程，一同拉伸到了宏观的尺寸。

但是，即便如此，一个更大的问题依然存在：谁来为这些天然的虫洞，提供“奇异物质”来维持它们的稳定呢？

根据我们目前的观测，宇宙中似乎并不存在天然的、大量的奇异物质。所以，即使宇宙大爆炸真的留下了一些宏观的虫洞，它们大概率也和“爱因斯坦-罗森桥”一样，在形成的瞬间，就已经坍缩消失了。

因此，今天的大多数物理学家都倾向于认为，在我们的宇宙中，天然存在稳定、宏观、可穿越虫洞的可能性，是微乎其微的。如果宇宙中真的存在这样的“任意门”，那它几乎不可能是大自然的鬼斧神工，而更可能是一个比我们先进无数倍的超级文明，刻意建造的“人造物”。

这，也恰恰是索恩给电影《星际穿越》做的一个深谋远虑的设定。那个出现在土星旁的虫洞，并非天然形成，而是由一个生活在更高维度的、我们无法理解的未来人类文明（也就是电影中神秘的“他们”），为了拯救过去的自己，而特意放置在那里的。

科学与电影的完美结合

所以，当诺兰邀请索恩，担任《星际穿越》的科学顾问时，索恩便将他自己这套关于“可穿越虫洞”的、最前沿的物理学构想，毫无保留地贡献给了这部电影。

电影中那个虫洞的视觉效果，就完美地体现了索恩的科学思想。

首先，它为什么是一个“球”，而不是一个“洞”？因为虫洞本身，是一个存在于更高维度空间（物理学家称之为“膜宇宙”）中的三维隧道。而我们，是生活在三维空间中的生物。我们无法直接看到那个四维的隧道本身，我们能看到的，仅仅是那个隧道在我们这个三维宇宙中的“入口”。而一个更高维度的隧道入口，在我们这个三维空间中的投影，就是一个二维的球面。所以，电影中的宇航员看到的，不是一个需要钻进去的“洞口”，而是一个需要飞进去的“水晶球”。

其次，当你看着那个球时，你为什么能看到另一边的星系？这就要用到我们之前讲过的引力透镜效应了。虫洞的入口，同样是一个引力极强的区域，它会把来自另一端宇宙的光线，极度地弯曲和扭曲。所以，你看到的，不是一个清晰的窗口，而是一个像“哈哈镜”一样，将对面整个星系的景象，都扭曲着投射在球面上的光怪陆离的影像。

《星际穿越》中的虫洞

电影的特效团队，在索恩提供的引力学方程的指导下，用最顶级的计算机，完美地模拟出了这个效果。我们在电影中看到的那个虫洞，可以说是迄今为止，所有科幻作品中，对虫洞形态最科学、最精准的一次呈现。

所以，当库珀驾驶着飞船，缓缓地穿过那个如同涟漪般的球面时，他不仅仅是在穿越空间，更是在穿越半个多世纪以来，从爱因斯坦、罗森、到惠勒、索恩，一代代物理学家和梦想家们，用数学和想象力共同构建起来的理论奇景。

现在，我们已经为永恒号的星际远征，找到了那条理论上可行的“高速公路”。但是，虫洞这个概念，一旦被打开，它所通向的，就不仅仅是遥远的空间了。一个更令人激动，也更令人不安的可能性，随之而来。

如果一个虫洞，可以连接宇宙中的 A 点和 B 点。那么，我们有没有可能，通过某种方式，让它连接今天和昨天呢？

换句话说，虫洞，有没有可能，被改造成一台时间机器？

这个问题，将直接把我们带入物理学中最烧脑、最令人着迷的领域——时间旅行，以及那个所有时间旅行故事都无法回避的终极拷问——“祖母悖论”。这到底是怎么一回事呢？

科学有故事，我们下期接着聊。