制造一个虫洞分几步？
图片来源：pixabay
第一步，学好广义相对论。第二步，学好量子力学。第三步，学好量子引力理论。目前我们主要卡在第三步。
撰文 | 王昱
审校 | 白德凡
300年后，你终于攒足首付买到了自己心仪的宇宙飞船，迫不及待想在银河之间遨游。但马上你发现了一个严峻的问题：真实的宇宙里没有传送门。宇宙太大了，即使以光速飞行，从太阳系抵达最近的恒星也需要四年以上的时间。当然，考虑到相对论钟慢效应，在你看来花的时间并没有那么久。但地球上的银行可管不了这么多，他们会按照地球上的时间让你还“飞船贷”。
那如何才能避免宇宙旅行中的时间危机呢？是时候制造一个虫洞了。
在科幻作品中，虫洞是一种常见的捷径、跨越时空的桥梁，可以让你跳过太空旅行中无聊的等待，以极快的速度抵达目的地。既然是科幻作品，自然需要现实理论的支撑，所以，在真实世界中，我们如何才能制造一个虫洞？
爱因斯坦-罗森桥
爱因斯坦建立的广义相对论是描绘宇宙的语言。根据广义相对论，引力本质上并不是一种力，而是宇宙中物质分布带来的时空曲率。物质决定了时空如何扭曲，而扭曲的时空又决定了物质将如何运动。我们无法在宇宙中超光速运动，却能在时空的不同区域建造隧道——也就是虫洞。这并没有违反广义相对论的框架，这种时空隧道名为爱因斯坦-罗森桥（The Einstein-Rosen Bridge），它更为人所熟知的名字是虫洞。
如果想搭建虫洞，我们需要将能量和物质按特定的方式排列起来，使时空弯曲，确保时空隧道能够出现。而广义相对论方程的解告诉我们，虫洞作为一种异常现象，诞生于怪异的黑洞中却并不会显得奇怪。
黑洞是广义相对论方程的奇点。在广义相对论中，当物质被挤压到极高的密度，以至于任何相互作用都不能抵挡这些物质对时空造成的扭曲，黑洞遍不可避免的产生了。黑洞的边界被称为事件视界，一旦跨越，就连光也无法从扭曲的时空漩涡中逃离。
但黑洞并不是唯一的奇点。广义相对论的方程同样允许完全相反的奇点存在，也就是白洞。白洞的中心同样有一个奇点，但它的事件视界和黑洞相反。任何物质都无法进入白洞，而白洞内的任何物质在形成时就会以超光速被抛离出去。
从数学上看，白洞会在黑洞产生时自然形成，而一对相连的黑洞和白洞会自动形成一个虫洞。
但是，用这种办法建造虫洞还有两个小问题。
首先，自然中几乎不可能存在白洞。因为白洞太过活跃，高度不稳定。白洞的事件视界一直在不断向外辐射物质。由于白洞在广义相对论方程上和黑洞完全等价，只有事件方向相反，因此演化过程中的白洞看起来会是黑洞演化过程的倒放。所以，白洞最终会演化到黑洞演化的起点——一颗恒星。这违反了热力学第二定律，所以白洞这一选项被排除了。
就算真的能构建一对黑洞和白洞，那么它们两者之间形成的虫洞入口只会位于黑洞视界之内，你必须进入黑洞才能继续虫洞之旅。但黑洞的性质决定了，一旦进入黑洞，就永远无法离开，无论如何，你都会被黑洞中心奇点周围巨大的引力梯度撕碎。
莫里斯-索恩桥
所以，如果想用虫洞进行星际旅行，除了构建一个虫洞，我们还必须保证我们能从这个虫洞穿越过去。还好，广义相对论的方程允许我们把虫洞的入口放到黑洞事件视界之外。但代价就是这样的虫洞极不稳定，哪怕只有一个光子穿越虫洞，整个虫洞的时空结构就会立即以超光速坍塌。
1988年，物理学家迈克尔·莫里斯（Michael Morris）和基普·索隆（Kip Thorne）发现了构建稳定、可用、可供穿越的虫洞的方法，被称为莫里斯-索恩桥（Morris-Thorne Bridge）。但在他们的条件下，虫洞必须是由“负物质”——或者说“奇异物质”——构成的。
这不是电荷与正常物质相反的反物质，也不是看不见却能提供引力的暗物质，构建可穿越虫洞的关键物质是质量为负的“负物质”。在虫洞方程中引入负质量，可以消除虫洞的不稳定性，同时可以让虫洞的入口膨胀到足够大，足以让宏观物体穿越虫洞。
但负质量物质又是什么呢？
我们在宇宙中还没有发现负质量物质。这种物质的性质非常奇怪，当它受力时，根据动力学方程，因为负号的作用，它会朝着力的反方向运动。这完全颠覆了我们对物理学的理解。假如生活中存在负质量物质，那去超市购物时如果买了-2斤大米，超市似乎还要倒欠我们几元钱。
奇异能量
根据爱因斯坦质能方程，能量和质量本质上是等价的。虽然我们没能在宇宙中找到负质量物质，但负能量却是真实存在的。真空中，两块相距很近的板之间会因为零点真空能的涨落产生一定的引力，这个过程中的真空能涨落，可能导致负能量密度的出现，这被称为卡西米尔效应。
卡西米尔效应示例 图片来源：Wikipedia
卡西米尔效应不仅被测到过，甚至在制造纳米结构时，这还是一个不得不考虑的干扰因素。在有负能量的地方，就有可能建立稳定的、可供穿越的虫洞。但目前我们的负能量实验局限于纳米尺度，想要建造真正可用的虫洞，或许还要寄希望于量子引力这一未知领域。
广义相对论告诉我们虫洞可能存在，并且能保持稳定，能让物质穿越过去，但前提是允许负能量（负质量物质）的存在。而量子力学告诉我们如何产生负能量，但这种效应只有在微观尺度下才能存在。想要获得真正可用的虫洞，或许我们首先要解决的问题是建立量子引力理论。
除了常规量子引力理论，我们或许还能用更奇特的理论来构建虫洞，比如弦论。弦论希望将物理学中的点状粒子替换为一维的弦和二维的膜，由此解决量子引力问题。事实上，弦论的框架本身容许稳定虫洞的存在，但弦论本身并不完整，目前我们还无法证实这种理论。
参考链接：
https://arstechnica.com/science/2022/05/how-to-build-a-wormhole-in-just-3-nearly-impossible-steps/
https://en.wikipedia.org/wiki/Wormhole
https://journals.aps.org/pr/abstract/10.1103/PhysRev.73.360
《环球科学》6月新刊销售中
戳图片或阅读原文
立即购买