《星际穿越》真正的科学养分

基普·斯特凡·索恩(生于1940年6月1日)是美国理论物理学家，他的主要贡献在于引力物理学和天体物理学领域。许多活跃在相关领域的新一代科学家都是由他培养和训练的。索恩和英国物理学家斯蒂芬·霍金，以及美国天文学家、科普作家和科幻作家卡尔·萨根一直保持着长期的好朋友和同事关系。他目前是加州理工学院的理论物理学教授，是广义相对论下天体物理学的世界领导者之一。

在克里斯托弗·诺兰签约执导电影《星际穿越》并开始重写剧本之前，天体物理学家基普。索恩已经在和诺兰的弟弟乔纳森讨论如何将他的黑洞理论搬上银幕。为了确保“黑洞”描述的准确性和美感，从未真正理解代数的诺兰不得不认真考虑索恩的终身研究。

索恩的“黑洞和时间扭曲”(黑洞和时间扭曲)，作为电影《星际穿越》的理论来源，为描述黑洞和时间的关系提供了有力的支持。然而，索恩也证明了所有进入黑洞的物体都会被强大的潮汐引力撕成碎片，这是一个不可逾越的障碍，作为时空旅行的手段。因此，建议将背景小说中的“黑洞”改为“虫洞”。

虫洞理论:也许不是“胡说”

源自爱因斯坦广义相对论的时空旅行的可能性似乎已经被大多数人所认识——很大程度上是由于卡尔·萨根的科幻作品的传播效果，但事实上对其具体细节的理解相当模糊和模糊。

1976年，英国培根基金会也为一个相关问题的解决提供了300英镑的奖励:“根据目前的理论，旋转黑洞是进入其他时空区域的真正入口，那么一架飞机如何通过旋转黑洞进入另一个时空区域而不被奇点的重力破坏呢？”

当然，这个问题从未得到令人满意的解决。萨根不是相对论专家。他不确定使用黑洞作为时空旅行手段的技术细节。为了找到科学依据，他向著名物理学家基普·索恩求助。

虽然一些科学家，如哥德尔，已经从爱因斯坦的场方程中获得了允许时空旅行的解，但是更多的物理学家把时空旅行当作科幻小说中的流行情节——几乎像飞碟，你可以饶有兴趣地阅读它，但是如果把它包括在物理学中进行讨论，那就相当于进行一次学术冒险——而更保守的物理学家只是把它当作无稽之谈。

因此，当索恩欣然同意萨根的要求，这真的需要一些勇气来独立。索恩和他的学生经过论证后得出结论，所有进入黑洞的物体都会被强大的潮汐引力撕成碎片，这是一种不可逾越的时空旅行障碍，并建议萨根在他的小说中将黑洞重新命名为“虫洞”。

“虫洞”的性质很早就被发现了:1916年，爱因斯坦的广义相对论发表几个月后，史瓦西发现了爱因斯坦引力场方程的一个解——著名的史瓦西解。同年，弗拉姆重新解释了它的数学推导过程，揭示了它的虫洞本质——它实际上描述了一个空的球形虫洞。1935年，爱因斯坦和他的学术助手罗森在一篇论文中称连接宇宙中两个遥远区域的假想通道为“桥”——后来称之为爱因斯坦-罗森桥，实际上是“虫洞”。

在萨根的小说中，地球距离织女星26光年，但如果它们通过虫洞连接，可能只有1公里。然而，把虫洞当作时间机器也面临着一个棘手的问题:根据爱因斯坦场方程的预测，虫洞在某个时刻产生，短暂地打开，然后关闭并消失——从产生到消失，在很短的时间内，没有东西能在这么短的时间内穿过一个洞到达另一个洞。

除了无法从自然界推断出虫洞的形成模式，黑洞也被证明是恒星坍缩的结果，这也是物理学家长期以来对虫洞持怀疑态度的另一个主要原因。索恩最后设想用具有“负能量密度”的奇异事物作为物质条件来保持虫洞持续开启，并在无限高级智能生物的文明背景下设定实现条件。换句话说，索恩在这个问题上的考虑主要是数学上的自我一致性，而不是现实的可能性。

索恩以论文的形式在*物理杂志《物理评论》上发表了这一系列与时空旅行相关的研究成果，该杂志每年都会收到大量声称已经制造出时间机器的文章，但没有一篇被接受发表，因为它们不是基于爱因斯坦场方程的严格推导过程，索恩的论文很好地满足了这一条件。

因此，即使是像虫洞、时间机器和弱能量条件这样的论文，尽管文章的摘要让人们觉得充满了科幻小说:“这篇文章讨论了如果物理定律允许一个先进的文明智能生物在太空中创造和维持一个虫洞，那么虫洞将会转变成一个违反星际旅行因果定律的时间机器。”标题中还直接包含了“时间机器”这个词，但它最终被接受并发表了——在此之前，为了避免引人注目并被冠以“科幻物理学家”的称号，科学家们在参与关于时空旅行的讨论时通常将“时间机器”称为“类似时间的闭合曲线”。

对于那些对研究时空旅行感兴趣的物理学家来说，索恩在时空旅行研究方面的进展无疑是令人鼓舞的。一些人后来开始参与其中，包括俄罗斯物理学家诺维科夫、普林斯顿大学的理查德·高尔特和斯蒂芬·霍金。然而，值得一提的是，许多物理学家仍然拒绝像以前那样讨论任何与时空旅行有关的问题。

然而，萨根没有想到他最初的问题会在科学领域打开这样的局面，并在物理学领域引起对时空旅行的新关注。其中，对保持虫洞持续开放的外来物质的研究甚至成为该领域的一个重要课题。

科学家认为，反物质相对于产生能量并能吸收周围所有能量的“正物质”也有“负质量”。像虫洞一样，“负质量”一度被认为只存在于理论中。然而，目前世界上许多实验室已经成功地证明了“负质量”可以存在于现实世界中，并通过航天器在太空中捕捉到了微量的“负质量”。

根据华盛顿大学物理系研究人员的计算，“负质量”可以用来控制“虫洞”。他们指出，“负质量”可以扩大原本微小的“虫洞”，足以让宇宙飞船通过。他们的研究成果引起了各国航天机构的极大兴趣。许多国家已经考虑资助“虫洞”研究，希望“虫洞”可以实际用于太空导航。

宇航员认为，虽然对“虫洞”的研究才刚刚开始，但它的潜在回报不容忽视。科学家认为，如果研究成功，人类可能需要重新评估他们在宇宙中的角色和地位。目前，人类“被困”在地球上。航行到最近的星系需要数百年的时间，这对于人类来说是不可能的。然而，如果“虫洞”被用于未来的太空导航，宇宙中遥远的地方可以在那一瞬间到达。

穿越虫洞:打开“时间旅行”的大门

根据科学家的观察，宇宙中充满了数百万个“虫洞”，但很少直径超过10万公里，而这个宽度是航天器安全航行的最低要求。“负质量”的发现为“虫洞”的使用创造了新的机会，这种“虫洞”可以用来扩大和稳定微小的“虫洞”。科学家指出，如果“负质量”被转移到“虫洞”，那么“虫洞”就被打开了，它的结构被加强以使它稳定，飞船就能通过。

虫洞，这个科幻花园的主题，今天已经跃出了报纸，成为天文学家搜索的目标。为什么虫洞如此吸引人？因为它为星际旅行提供了一条捷径。例如，从地球到最近的邻居半人马座比邻星的飞行需要4光年，但是通过虫洞只需要几个小时。

事实上，在广义相对论发表后不久，科学家们就在理论上发现了虫洞的存在，但是从那以后，对它的研究一直很慢，它的许多性质仍然很模糊。例如，它只允许光通过？或者飞船也能旅行吗？

直到1988年，索恩和加州理工学院的其他人对虫洞进行了更深入的研究，证实了虫洞的两端都可以进入，而不是像黑洞一样的“单行道”。此外，旅行者只能在洞中获得一般加速度。与黑洞不同，如果你的脚指向黑洞的中心，那么巨大的引力场会在头和脚之间产生巨大的拉力差，足以将头撕裂。

索恩还提出了构造虫洞的概念，这当然是理论性的。他说这包括打破和扭曲宏观空间。生活在二维空间(如纸)的智能蚂蚁想要在纸上从一点到另一点。传统上，只有一条路，就是沿着连接两点的直线走，这也是两点之间最短的距离。但是有一个更短的方法:把纸对折，使两个点靠在一起，然后用纸管把两个点连接起来(纸管提供了一条穿过三维空间的捷径)，蚂蚁可以通过纸管到达另一个点。为此，蚂蚁必须在纸上挖两个洞。

在这种情况下，纸管非常类似于穿过高强度空间的虫洞。因此，要建造虫洞，必须撕裂空间。空间不是空的吗，怎么挖洞？很难想象。但是相对论早就告诉我们重力可以弯曲空间。索恩说，在空间的空隙处，空间和时间会有一个陡峭的趋势，就像黑洞中心的情况一样。然而，他承认，由于缺乏成熟的量子引力理论，很难进一步讨论这个问题。

理论上，虫洞内部的空间扭曲得如此不自然，以至于无法保持畅通。即使它能被打开，也只是一瞬间。然而，虫洞可以让奇怪的物质通过。为什么奇怪的物质会得到如此优惠的待遇？这也必须从相对论开始。

爱因斯坦认为重力来自物质的两种完全不同的属性。众所周知，质量密度越大，引力场就越强。因为物质的质量等于能量，所以可以说能量密度(单位体积中包含的能量)对重力有贡献。另一个是物质对周围环境的压力，就像气体对容器壁的压力一样，但这个压力原则上可以是正的或负的。与物质中包含的能量相比，压力可以忽略不计。

但是索恩说，有一种物质具有极其负压，而奇怪的物质显然具有这种特性，而且它的负压大于它的能量密度。因此，奇怪物质周围的空间被扭曲得非常奇怪。与普通物质的扭曲相比，它只是改变了空间扭曲的“符号”。具体来说，它的重力是排斥的。

根据现代宇宙学理论，驱动宇宙在产生后立即迅速膨胀的力是具有极负压力的“奇怪”真空的排斥引力。宇宙膨胀可能提供一种保持虫洞开放的方法。一些物理学家认为膨胀可能导致“宇宙绳”环(宇宙理论中的一种物质)。当量子虫洞和宇宙绳环同时膨胀时，宏观虫洞可能会产生。此外，他们还相信由高级文明创造的人造虫洞可能使用外来物质的“支柱”来保持虫洞畅通。所以索恩的虫洞是一个奇怪的物质虫洞。

科学家马科斯还提出了磁虫孔理论。他说，极强的磁场能够弯曲时间和空间，形成虫洞。根据相对论，任何包含能量(包括磁场)的东西都可以弯曲空间。早在20世纪20年代，一位意大利理论家赖特就在爱方程中发现了磁引力。莱特的理论说，在螺线管产生的磁场中，在螺线管中形成引力场，但要获得这种人造引力场，磁场需要非常大。

根据马科斯的说法，莱特的磁力吸引非常类似于索恩的虫洞。马科斯说:“它的理论的实际意义是一个磁性虫洞。”他说，如果实验室使用2.5T(特斯拉)的磁场，就可以建造一个磁性虫洞。虫洞的半径非常大，大约150光年。如果要将虫洞的半径压缩到实验室的规模，所施加的磁场需要高达10亿t，这显然超出了人类目前的科技能力(最大的人工磁场约为10T)。但马科斯说，这种磁虫洞一定是在天空中发现的，因为中子星表面的磁场达到10亿t，磁虫洞会在那里自发产生。

磁性虫洞有一个优势。根据麦克白的说法，它们更容易测量和验证。由于磁引力也会影响光，“在引力场中，光速会减慢。如果光通过螺线管的速度低于光在真空中的速度”，就可以证明磁虫孔的存在。不管是奇怪的物质虫洞还是磁性虫洞，只要它存在于天空中，它的特征信号就可以从地球上测量出来。如果一个虫洞口位于地球和恒星之间，那么虫洞的重力会引起恒星光线的异常波动，这将使我们看到一个有着极其明亮的一面和黑暗的一面的光学图像。为什么这么奇怪？这包括负(质量)物质和引力透镜。

根据俄罗斯科学家诺朱可夫的理论，当一个物体进入虫洞时，在“入口”的质量明显增加，而在“出口”它立即失去相应的质量。即使物体已经穿过虫洞，它仍然会留下这些痕迹:虫洞的一边会保持它获得的质量，而另一边最终会显示负质量。负(质量)物质有明显的特征，它只有排斥引力，所以它能扫除它周围的任何物质，并对光的运动造成很大的扭曲。

如果普通物质(即正质量物质)正好通过地球和恒星之间，它的重力会弯曲并放大从这颗恒星到地球的星光，就像聚光器的行为一样。天文学称之为“引力透镜”效应。具体来说，我们会看到这颗恒星的星光比平常亮得多。

如果这个穿过地球恒星的天体是由负物质构成的呢？它也能弯曲星光，但是由于它的排斥引力，弯曲星光的情况非常不同。当星光经过它时，会发生所谓的焦散现象，即星光从透镜(负物质天体)的轴上被推出，并聚焦在两侧。

这意味着当负物质天体在地球和恒星之间移动时，我们将会看到恒星不再像往常一样是一个光点，而是亮度的两次突然增亮。这种“双峰”亮度特征信号非常明显，从而为检测虫洞提供了方便的途径。

霍金:通向第四维的虫洞无处不在

针对这个问题，霍金说:

时间旅行曾被认为是科学中的一个谬误。过去，我经常避免谈论这个问题，因为我担心有人会给我贴上怪人的标签。但是现在，我不会这么谨慎。事实上，我更像那些建造巨石阵的人。我已经被时间困扰很久了。如果我有一台时间机器，我会去拜访年轻的玛丽莲·梦露或伽利略，他们把望远镜对准了宇宙。也许，我会走到宇宙的尽头，解开整个宇宙毁灭的谜团。

为了把这一切从幻觉变成现实，我们应该从物理学家的角度重新审视时间——第四维度。这个问题并不像听起来那么模糊。每个勤奋的孩子都知道任何物体都存在于三维空间，包括坐在轮椅上的我。所有物体都有宽度、高度和长度。此外，还有另一个长度——时间的长度。例如，尽管一个人可能已经活了80年，巨石阵的石头仍然屹立了几千年。太阳系的运行将持续数十亿年。

所有物体都有时间和空间的长度。时间旅行意味着我们必须穿越第四维。为了理解这一点，我们可以想象自己在从事日常活动，比如开车。沿着直线行驶是一维的旅程。向左或向右是一个二维的旅程。在山路上行驶意味着增加高度，所以是在三维空间。那么我们如何实现时间旅行呢？我们怎样才能找到穿过第四维的通道？

让我们暂时从科幻电影中寻找答案。在这样的电影中，通常会有一个巨大的、能量密集型的时间机器，它会产生一个通往第四维的通道——“只是参观”。时间旅行者——勇敢但可能鲁莽的人，为我们都知道的事情做好准备，然后走进去只是为了在他们想要的时间到达。这个概念可能有点牵强，事实可能与它大不相同，但这个想法本身并不那么疯狂。

物理学家也在考虑只是参观，但是我们有不同的观点。我们想知道过去或未来是否存在于自然法则中。事实证明，我们认为事实确实如此。此外，我们还把它们命名为虫洞。事实上，虫洞无处不在，只是因为它们太小，我们看不见。虫洞非常小，存在于时间和空间的隐蔽的地方和缝隙中。你可能认为这是一个不可理解的概念，请耐心听我的解释。

任何物质都不是平坦的、完美的和坚实的。如果你仔细看，你会发现上面有小孔和裂缝。这是一个基本的物理原理，也适用于时间。甚至像台球这样的东西也有裂缝、褶皱或洞。现在很容易解释这种情况在前三个维度中也存在。相信我，这个原则也适用于第四维度。时间也有许多微小的裂缝、褶皱和洞。在最小的尺度上——比分子甚至原子都小——我们来到了一个叫做量子泡沫的地方，那里有虫洞。

在这个量子世界中，时间和空间中的小隧道或捷径不断形成、消失和重新形成。它们可以连接两个独立的空间和两个不同的时间。不幸的是，在现实生活中这样的只是参观是非常狭窄的，即使他们被发现，我们也不能通过这个缺口——但这是“虫洞时间机器”概念的方向。一些科学家相信有一天虫洞可能会被捕获并放大几万亿倍，大到足以让人类甚至宇宙飞船进入。

如果我们有足够的能量和先进的技术，将来我们也许能够在太空中建造一个巨大的虫洞。我并不是说它可以做到，但是如果有这样的设备，它真的很神奇。一端靠近地球，另一端靠近一颗遥远的行星。理论上，虫洞或者仅仅是参观不仅可以带我们去其他星球。如果两端在同一个地方，并被时间而不是距离分开，在遥远的过去，宇宙飞船可以在地球附近*进出。也许恐龙会看到宇宙飞船的着陆。