虫洞理论：《星际穿越》真正的科学养分

　　链接 基普·S·索恩（Kip Stephen Thorne ，1940年6月1日出生）是美国理论物理学家，他的主要贡献在于引力物理和天体物理学领域。很多活跃于相关领域的新一代科学家都曾经过他的培养和训练。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、科幻小说作家卡尔·萨根保持了长期的好友和同事关系。他目前担任加州理工学院费曼理论物理学教授，是当今世界上研究广义相对论下的天体物理学领域的领导者之一。

　　在克里斯托弗·诺兰签约导演《星际穿越》这部电影，并开始重写剧本之前，天体物理学家基普·S·索恩（Kip. S. Thorne）早已在与诺兰的弟弟乔纳森商讨，如何将其黑洞理论搬上荧幕。为确保对“黑洞”描述的准确性和美观性，从未真正了解代数学的诺兰也不得不认真琢磨索恩的毕生研究。

　　索恩的《黑洞与时间弯曲》（《Black Holes and Time Warps》）作为电影《星际穿越》的理论来源，在描述黑洞与时间的关系上，给出了有力支撑。但索恩也论证过，进入黑洞的所有物体都会被强大的潮汐引力撕得粉碎，作为时空旅行手段这是不可跨越的障碍，因此，建议将背景小说和改编剧本中的“黑洞”改为“虫洞”。

　　虫洞理论：或许并非“无稽之谈”

　　从爱因斯坦广义相对论中推导出时空旅行的可能性，似乎已被大多数人所认识——很大程度上这得归功于卡尔·萨根科幻作品的传播效应，但事实上对其具体细节的认识则相当模糊和含混。

　　1976年，英国培根基金会还曾悬赏300英镑来专门征求一个相关问题的解：“按照目前的理论，转动黑洞是通往其他时空区域的真实入口，那么一个飞行器怎样才能通过一个转动黑洞进入另一个时空区域，而不被奇点的引力摧毁？”

　　当然，这个问题从未获得过圆满解决。萨根不是相对论专家，他对自己设置的利用黑洞作为时空旅行手段的技术细节并不是太有把握，为了寻找科学上能站住脚的依据，他向著名物理学家基普·S·索恩求助。

　　尽管之前已有哥德尔等一些科学家从爱因斯坦场方程中得到允许时空旅行的解，但更多的物理学家则把时空旅行和科幻小说中的流行情节一样对待——差不多归入UFO一类，你可以兴意盎然地去阅读，但如果把它纳入物理学范畴来进行探讨，那无异于进行学术冒险——更为保守的物理学家则根本就把它看作无稽之谈。

　　所以，当索恩欣然应允萨根的要求时，还真需要点特立独行的勇气才行。索恩和他的学生经过论证得出结论，进入黑洞的所有物体都会被强大的潮汐引力撕得粉碎，作为时空旅行手段这是不可跨越的障碍，并建议萨根在小说中，把黑洞改称“虫洞”。

　　“虫洞”的性质很早就被发现了：1916年，爱因斯坦广义相对论发表后的几个月，史瓦西在爱因斯坦引力场方程里发现了一个解——著名的史瓦西解，同年，弗拉姆对其数学推导过程进行重新诠释以后，揭示出它的虫洞本质——它事实上是描述了空的球形虫洞。1935年，爱因斯坦和其学术助手罗森在一篇论文中，把连接宇宙中两个遥远区域之间的假想通道称为“桥”——后来这被称为爱因斯坦-罗森桥，其实也就是“虫洞”。

　　萨根的小说中，地球距离织女星是26光年，但若通过一条虫洞连接它们的话，也许就才1公里。但是，以虫洞作为时间机器，也还面临一个棘手问题：按照爱因斯坦场方程的预言，虫洞在某个时刻产生，短暂地打开，然后关闭、消失——从产生到消失，时间极短，没有事物能在这么短的时间内从一个洞口穿过它到达另一个洞口。

　　除了因为无法从自然界推导出虫洞的生成方式外，黑洞也已被证明是恒星的坍塌结果，这也是物理学界长期对虫洞报以怀疑态度的另一个主要原因。索恩最终设想以具有“负能量密度”的奇异物作为保持虫洞持续开放的物质条件，并把实现条件设置在高级智慧生物无限先进的文明背景下。换言之，索恩在这个问题上考虑的主要是数理上的自洽性，而非现实可能性。

　　索恩把这一系列和时空旅行相关的研究成果，以论文形式主要发表在顶级的物理学杂志《物理学评论》上，这样的杂志每年都会收到大量宣称制造出时间机器的文章，但从来没有一篇被接受发表过，因为它们没有建立在爱因斯坦场方程上的严密推导过程，而索恩的这些论文则很好的满足这一条件。

　　所以，即便是像《虫洞、时间机器和弱能量条件》这样的论文，尽管文章摘要让人感觉科幻味儿十足：“本文讨论的是，如果物理法则允许一个高级文明智慧生物在空间中制造和维持一个虫洞，那么这个虫洞将被改造成违背因果律的时间机器用于星际航行”，题目中也直接就有“时间机器”的字样，但最后还是被接受发表——在此之前，为了避免引人注目并被冠以“科幻物理学家”的头衔，科学家们在参与时空旅行的相关讨论时，通常都把“时间机器”说成“类时闭合曲线”。

　　对那些有兴趣研究时空旅行的物理学家而言，索恩对时空旅行研究取得的进展无疑令人鼓舞，一些人在之后开始参与其中，他们中有俄籍物理学家诺维柯夫、普林斯顿大学的理查德·高特以及史蒂芬·霍金。不过，值得一提的是，很多物理学家还是一如既往拒绝讨论和时空旅行相关的任何问题。

　　但无论如何，萨根不曾预料到，他当初的这一提问会在科学领域内打开这样的局面，引发物理学界对时空旅行新的关注，其中，维持虫洞持续开放的奇异物质的相关研究甚至成为该领域内的一个重要课题。

　　科学家认为，相对于产生能量的“正物质”，“反物质”也拥有“负质量”，可以吸去周围所有能量。像“虫洞”一样，“负质量”也曾被认为只存在于理论之中。不过，目前世界上的许多实验室已经成功地证明了“负质量”能存在于现实世界，并且通过航天器在太空中捕捉到了微量的“负质量”。

　　据美国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”能扩大原本细小的“虫洞”，使它们足以让太空飞船穿过。他们的研究结果引起了各国航天部门的极大兴趣，许多国家已考虑拨款资助“虫洞”研究，希望“虫洞”能实际用在太空航行上。

　　宇航学家认为，“虫洞”的研究虽然刚刚起步，但它潜在的回报不容忽视。科学家认为，如果研究成功，人类可能需要重新估计自己在宇宙中的角色和位置。现在，人类被“困”在地球上，要航行到最近的一个星系，动辄需要数百年时间，是目前人类不可能办到的。但是，未来的太空航行如使用“虫洞”，那一瞬间就能到达宇宙中遥远的地方。