虫洞不能让你回到过去，但可用来躲避星际战争

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如果外星人之间爆发星际战争，地球人无法打败外星人，地球人该怎么办？最新的虫洞研究可能会给我们一些启示:人类可以藏在虫洞里，直到战争结束。

说到虫洞，它们大多与星际旅行的话题有关。因为宇宙太大，而且人类飞行器的速度太慢，我们的寿命也很短，所以几乎不可能穿越遥远的星际空间。例如，离太阳最近的恒星位于人马座，距离我们大约4光年。即使它以光速的1%飞行，也需要400年才能到达这里。太阳距离银河中心26000光年，所以以目前的技术水平，去银河中心几乎是一个遥远的梦想。人类最近拍摄的第一张黑洞照片位于距离太阳系5500万光年的遥远星空中。人体如何能穿过这遥远的星海？

因此，人们总是说他们只能依靠虫洞穿越遥远的星际空间。然而，最新的虫洞研究告诉我们，星际旅行通过虫洞可能不是最好的选择。

穿越虫洞:关键是负质量

为了了解最新的虫洞研究，我们需要先看看虫洞研究的历史。

1935年，爱因斯坦和罗森在研究广义相对论时发现了“爱因斯坦和罗森桥”。这是一个不可穿透的虫洞——所谓的“不可穿透”意味着你不能在有限的时间内穿过这个虫洞。因此，这个虫洞在现实中没有实际意义。

这种尴尬的局面持续了50年才改变。1985年，康奈尔大学的天文学家和科学作家卡尔·萨根写了一部科幻小说《接触》。小说描述了人类穿越虫洞，到达距离地球26光年的织女星附近，然后与外星文明接触，最后顺利返回地球。

这部小说可以说是人类第一次提出“可穿越虫洞”的概念——所谓的“可穿越虫洞”，意思是人类可以穿越虫洞并在有限的时间内返回。

在创作这部小说的过程中，卡尔.萨根一开始并没有在这个领域做太多的研究。他错误地把虫洞写成了黑洞。但是他咨询了他的老朋友，加州理工学院的物理学家基普·索恩教授，他建议用虫洞代替黑洞作为星际旅行的工具。

在与卡尔·萨根交流时，索恩知道黑洞不能用于星际旅行，所以他想到了十多年前由他的导师约翰·惠勒提出的“虫洞”概念。

然而，惠勒的虫洞概念只是一个没有任何物理计算细节的概念。所以索恩和他的学生迈克·莫里斯开始用正统的广义相对论知识研究虫洞物理，并在两年后发表了一篇研究论文。这篇论文发表在《美国物理杂志》上，题目是“空间和时间中的虫洞及其在星际旅行中的应用:一个教授广义相对论的工具”

这张照片来自索恩的虫洞文件。直线代表时空虫洞入口的轨迹(世界线)，曲线代表时空虫洞出口的轨迹。世界线上的阿拉伯数字表示当地的进出口时间。

虫洞是连接入口和出口的隧道。在索恩的虫洞模型中，虫洞非常短，穿越虫洞所需的时间大约为零。在这种情况下，当一个人从虫洞的入口进入，然后从虫洞的出口离开，然后沿着虫洞回到入口，他可能会穿越到他的过去，这将导致祖父的悖论。

索恩和他的学生在他们的论文中提出了以下观点:爱因斯坦的引力场方程左边是空间的曲率，右边是能量动量张量。对爱因斯坦引力方程的分析表明，为了创造一个可以通过的虫洞，与导致时空曲率的物质相对应的能量动量张量必须违反平均类光能量条件。换句话说，为了创造一个人类可以来回穿越的虫洞，必须消耗大量的负质量物质来支撑隧道——否则隧道将很容易坍塌。根据爱因斯坦的狭义相对论，质量和能量是等价的，所以负质量意味着负能量——但是宇宙中没有大规模的负能量，所以似乎不可能打开一个可以通过的虫洞。

根据广义相对论，违反平均类光能量条件是所有虫洞通过的先决条件。换句话说，如果你想穿过虫洞，这就相当于要求穿过虫洞的准光学测地线(即以光速运动的粒子)不能在虫洞中会聚，这就需要印度著名物理学家阿玛尔·库马尔·拉乔杜里(Amal Kumar Raychaudhuri)提出的方程。从理查森方程可以看出，在虫洞中，光不会击中奇点，除非物质场的能量动量张量违反平均类光能量。在这种情况下，聚焦在虫洞一端的光在离开虫洞另一端时会散射，这样它就可以顺利逃离虫洞。

然而，在这个世界上，没有任何物质违反平均类似光的能量条件。因此，从这个意义上来说，即使虫洞可以由于量子效应而瞬间产生，它们通常也会自我毁灭。因为虫洞天生喜欢自我瓦解，索恩也觉得虫洞很难被意识到，甚至不可能在未来存在，所以他说，“虫洞需要由先进文明有意识地创造和维护。”然后索恩去研究引力波。

新虫洞的研究:等同于量子纠缠的不死虫洞

近几十年来，索恩将他的兴趣从虫洞研究转移到引力波探测，并因第一次人类探测引力波而获得2017年诺贝尔物理学奖。

但是对虫洞的研究并没有停止。此外，虫洞研究的基本理念在过去10年发生了巨大变化。

虫洞研究的新思想来源可以概括为一个物理公式，即普林斯顿高等研究院的胡安·马尔达西那和斯坦福大学的李奥纳特·苏士侃在2013年提出的“ER = EPR”。这个公式首次将虫洞与量子纠缠联系起来。

急诊室的全名是爱因斯坦-罗森桥，这是我们在本文开头提到的。这是爱因斯坦和纳森·罗森在研究广义相对论方程时提出的一个无法穿越的虫洞。

EPR是爱因斯坦-波多尔斯基-罗森名字的首字母缩写。波多尔斯基是俄罗斯出生的美国物理学家。电子顺磁共振描述了物理学中的一对纠缠粒子。

最初，电子共振与电子顺磁共振的这两个概念无关，因为爱因斯坦-罗森桥是广义相对论的产物，描述了大尺度的宏观现象，而电子顺磁共振对是微观世界中量子纠缠行为的描述，量子纠缠很容易由于大尺度的退相干而消失。

然而，在2013年，以提出ADS/CFT对偶理论而闻名的马尔达·西纳和苏斯金德抛出了一个重磅炸弹“ER = EPR”。如果一个黑洞被视为一个量子系统而不是一个经典物体，一个由两个高度纠缠的黑洞组成的系统可能会出现。对这种纠缠态的仔细研究表明，对应于这种纠缠态的时空可以被看作是一个连接两个黑洞的不可穿透的虫洞，这就是“ER = EPR”的真正含义。

绘画:马尔科姆·戈德温

值得注意的是，《急诊室的故事》和《急诊室的故事》的作者包括爱因斯坦和罗森，他们都发表于1935年，相差两个月。更令人惊讶的是，80年后，玛达·仙娜和苏斯金德发现这两篇文章本质上是一样的。他们推测，任何一对纠缠的量子系统都是通过爱因斯坦-罗森桥(不能穿过虫洞)连接起来的。

在电子顺磁共振的基础上，哈佛大学的丹尼尔·贾法里斯和高平以及斯坦福大学的阿伦·沃尔开始了新的虫洞研究。高平是一位年轻的中国科学家。他从清华大学物理系毕业后，去哈佛大学攻读博士学位。

贾弗里思、高平和威尔提出的虫洞方案与索恩的不同。前者的新虫洞不适合长距离星际旅行，因为他们描绘的虫洞连接了两个非常接近的黑洞。此外，“穿过这些虫洞比直接穿过要慢。”他们对长途星际旅行持悲观态度。

新的虫洞是如何形成的？

但是有一点是肯定的:要打开一个可以通过的虫洞，必须有大量的负质量。问题的关键在于负质量物质从何而来。

在经典物理学的意义上，负质量是不可能的，但是量子力学可以产生负质量。最著名的例子是卡西米尔效应——例如，两个平行金属板之间的电磁真空状态。理论和实验结果都表明，金属板之间的真空状态具有负能量，称为casimir能量。这种负能量可以被视为负质量。因此，卡西米尔效应表明，量子力学可以实现负质量，并有助于创造一个可以通过的虫洞。如上所述，可穿越虫洞的技术细节是获得违反平均类光能量条件的能量动量张量。换句话说，维持可穿越虫洞需要一个平均光能为负的物质场(因为根据爱因斯坦的广义相对论，物质场会导致时空弯曲)。

三年前，在研究了两个永恒的BTZ黑洞的边界之间的相互作用之后，贾维斯、高平和威尔发现，这里可以产生一个具有负平均类光能量的量子物质能量动量张量，这相当于负质量的出现，因此它的反重力作用可以使爱因斯坦-罗森桥几乎无法穿越(BTZ黑洞是反德西时空中的一个二维黑洞，但他们的结论对于三维空间中的黑洞也是有效的)。此时，虫洞是可以穿越的。如果一个人跳进一个黑洞，他可以从另一个黑洞逃脱。

高平在一次采访中说，“量子纠缠相当于一个不可穿透的虫洞，但是加入负质量物质后，虫洞变得不可穿透。所以这两个黑洞实际上是在地平线后面相连的。如果一个人足够快地跳进第一个黑洞，那么它实际上非常接近第二个黑洞的视界，尽管这个人仍然在黑洞里面。然后，我们利用量子相互作用来产生负能量物质。当这种负能量物质进入黑洞时，一旦黑洞中的人遇到负能量物质，他就会被推出去。”

高平强调，虽然两个黑洞在空间上很接近，但连接它们的虫洞实际上很长。

新的虫洞不会“超光速”，但它可以避免星际战争。

在传统的虫洞研究中，一个核心问题是，如果一个人通过一个虫洞的时间太短，并且在太空中移动了很长的距离。例如，如果你在一秒钟内从地球穿越到银河系中心，那么在外界眼中这就是超光速运动。这种交叉行为肯定会违反相对论的因果关系，并最终导致悖论。

1988年，索恩证明了如果虫洞很短，那么人们会通过虫洞返回。这是一个非常有趣的结果，但它会导致悖论。因为如果穿越虫洞的时间很短，那么根据简单的狭义相对论，可以证明使用虫洞可以让时光机器回到过去，但是在这个时候会有因果问题，比如一个人可以回到过去并杀死他的祖父，从而产生“祖父悖论”。

“祖父悖论”说，如果一个叫小王的人可以回到过去，那么他就可以杀死他的祖父。那时，他的祖父只有一个孩子，没有婚姻和孩子，所以小王的父亲不会出生。因此，小王没有父亲，小王不可能出生。他是如何回到过去杀死他的祖父的？所以这是一个悖论。这个悖论表明回到过去是不可能的。

因此，从祖父悖论的逻辑推理中可以看出，即使存在可以通过的虫洞，也必须避免祖父悖论这样的因果难题。

Jarfrith、Gopin和Allen Wall的理论是通过一些量子效应使不可穿透的虫洞通过，但是他们的新虫洞并不破坏因果关系，因为在他们的模型中，虫洞很长，在虫洞中旅行需要很长时间——因为在虫洞中旅行比在虫洞外旅行需要更长的时间，所以不会引起祖父悖论。

高平在一次采访中说，“两个黑洞可以通过虫洞连接起来。两个黑洞之间的距离非常近，而且它们之间有很强的量子纠缠。我们的研究表明，连接两个黑洞的虫洞非常长，人类在这个虫洞中旅行需要很长时间，因此有可能避免虫洞中的星际战争。”

因此，新的虫洞不是星际旅行的最佳选择。相反，新的虫洞可以被视为天堂，一个可以长时间呆在里面以避免外部星际战争的桃花岛。