在克里斯托弗·諾蘭簽約導(dǎo)演《星際穿越》這部電影，并開始重寫劇本之前，天體物理學(xué)家基普·S·索恩（Kip. S. Thorne）早已在與諾蘭的弟弟喬納森商討，如何將其黑洞理論搬上熒幕。為確保對“黑洞”描述的準(zhǔn)確性和美觀性，從未真正了解代數(shù)學(xué)的諾蘭也不得不認(rèn)真琢磨索恩的畢生研究。

　　索恩的《黑洞與時(shí)間彎曲》（《Black Holes and Time Warps》）作為電影《星際穿越》的理論來源，在描述黑洞與時(shí)間的關(guān)系上，給出了有力支撐。但索恩也論證過，進(jìn)入黑洞的所有物體都會(huì)被強(qiáng)大的潮汐引力撕得粉碎，作為時(shí)空旅行手段這是不可跨越的障礙，因此，建議將背景小說和改編劇本中的“黑洞”改為“蟲洞”。

　　蟲洞理論：或許并非“無稽之談”

　　從愛因斯坦廣義相對論中推導(dǎo)出時(shí)空旅行的可能性，似乎已被大多數(shù)人所認(rèn)識——很大程度上這得歸功于卡爾·薩根科幻作品的傳播效應(yīng)，但事實(shí)上對其具體細(xì)節(jié)的認(rèn)識則相當(dāng)模糊和含混。

　　1976年，英國培根基金會(huì)還曾懸賞300英鎊來專門征求一個(gè)相關(guān)問題的解：“按照目前的理論，轉(zhuǎn)動(dòng)黑洞是通往其他時(shí)空區(qū)域的真實(shí)入口，那么一個(gè)飛行器怎樣才能通過一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)黑洞進(jìn)入另一個(gè)時(shí)空區(qū)域，而不被奇點(diǎn)的引力摧毀？”

　　當(dāng)然，這個(gè)問題從未獲得過圓滿解決。薩根不是相對論專家，他對自己設(shè)置的利用黑洞作為時(shí)空旅行手段的技術(shù)細(xì)節(jié)并不是太有把握，為了尋找科學(xué)上能站住腳的依據(jù)，他向著名物理學(xué)家基普·S·索恩求助。

　　盡管之前已有哥德爾等一些科學(xué)家從愛因斯坦場方程中得到允許時(shí)空旅行的解，但更多的物理學(xué)家則把時(shí)空旅行和科幻小說中的流行情節(jié)一樣對待——差不多歸入U(xiǎn)FO一類，你可以興意盎然地去閱讀，但如果把它納入物理學(xué)范疇來進(jìn)行探討，那無異于進(jìn)行學(xué)術(shù)冒險(xiǎn)——更為保守的物理學(xué)家則根本就把它看作無稽之談。

　　所以，當(dāng)索恩欣然應(yīng)允薩根的要求時(shí)，還真需要點(diǎn)特立獨(dú)行的勇氣才行。索恩和他的學(xué)生經(jīng)過論證得出結(jié)論，進(jìn)入黑洞的所有物體都會(huì)被強(qiáng)大的潮汐引力撕得粉碎，作為時(shí)空旅行手段這是不可跨越的障礙，并建議薩根在小說中，把黑洞改稱“蟲洞”。

　　“蟲洞”的性質(zhì)很早就被發(fā)現(xiàn)了：1916年，愛因斯坦廣義相對論發(fā)表后的幾個(gè)月，史瓦西在愛因斯坦引力場方程里發(fā)現(xiàn)了一個(gè)解——著名的史瓦西解，同年，弗拉姆對其數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程進(jìn)行重新詮釋以后，揭示出它的蟲洞本質(zhì)——它事實(shí)上是描述了空的球形蟲洞。1935年，愛因斯坦和其學(xué)術(shù)助手羅森在一篇論文中，把連接宇宙中兩個(gè)遙遠(yuǎn)區(qū)域之間的假想通道稱為“橋”——后來這被稱為愛因斯坦-羅森橋，其實(shí)也就是“蟲洞”。

　　薩根的小說中，地球距離織女星是26光年，但若通過一條蟲洞連接它們的話，也許就才1公里。但是，以蟲洞作為時(shí)間機(jī)器，也還面臨一個(gè)棘手問題：按照愛因斯坦場方程的預(yù)言，蟲洞在某個(gè)時(shí)刻產(chǎn)生，短暫地打開，然后關(guān)閉、消失——從產(chǎn)生到消失，時(shí)間極短，沒有事物能在這么短的時(shí)間內(nèi)從一個(gè)洞口穿過它到達(dá)另一個(gè)洞口。

　　除了因?yàn)闊o法從自然界推導(dǎo)出蟲洞的生成方式外，黑洞也已被證明是恒星的坍塌結(jié)果，這也是物理學(xué)界長期對蟲洞報(bào)以懷疑態(tài)度的另一個(gè)主要原因。索恩最終設(shè)想以具有“負(fù)能量密度”的奇異物作為保持蟲洞持續(xù)開放的物質(zhì)條件，并把實(shí)現(xiàn)條件設(shè)置在高級智慧生物無限先進(jìn)的文明背景下。換言之，索恩在這個(gè)問題上考慮的主要是數(shù)理上的自洽性，而非現(xiàn)實(shí)可能性。

　　索恩把這一系列和時(shí)空旅行相關(guān)的研究成果，以論文形式主要發(fā)表在頂級的物理學(xué)雜志《物理學(xué)評論》上，這樣的雜志每年都會(huì)收到大量宣稱制造出時(shí)間機(jī)器的文章，但從來沒有一篇被接受發(fā)表過，因?yàn)樗鼈儧]有建立在愛因斯坦場方程上的嚴(yán)密推導(dǎo)過程，而索恩的這些論文則很好的滿足這一條件。

　　所以，即便是像《蟲洞、時(shí)間機(jī)器和弱能量條件》這樣的論文，盡管文章摘要讓人感覺科幻味兒十足：“本文討論的是，如果物理法則允許一個(gè)高級文明智慧生物在空間中制造和維持一個(gè)蟲洞，那么這個(gè)蟲洞將被改造成違背因果律的時(shí)間機(jī)器用于星際航行”，題目中也直接就有“時(shí)間機(jī)器”的字樣，但最后還是被接受發(fā)表——在此之前，為了避免引人注目并被冠以“科幻物理學(xué)家”的頭銜，科學(xué)家們在參與時(shí)空旅行的相關(guān)討論時(shí)，通常都把“時(shí)間機(jī)器”說成“類時(shí)閉合曲線”。

　　對那些有興趣研究時(shí)空旅行的物理學(xué)家而言，索恩對時(shí)空旅行研究取得的進(jìn)展無疑令人鼓舞，一些人在之后開始參與其中，他們中有俄籍物理學(xué)家諾維柯夫、普林斯頓大學(xué)的理查德·高特以及史蒂芬·霍金。不過，值得一提的是，很多物理學(xué)家還是一如既往拒絕討論和時(shí)空旅行相關(guān)的任何問題。

　　但無論如何，薩根不曾預(yù)料到，他當(dāng)初的這一提問會(huì)在科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)打開這樣的局面，引發(fā)物理學(xué)界對時(shí)空旅行新的關(guān)注，其中，維持蟲洞持續(xù)開放的奇異物質(zhì)的相關(guān)研究甚至成為該領(lǐng)域內(nèi)的一個(gè)重要課題。

　　科學(xué)家認(rèn)為，相對于產(chǎn)生能量的“正物質(zhì)”，“反物質(zhì)”也擁有“負(fù)質(zhì)量”，可以吸去周圍所有能量。像“蟲洞”一樣，“負(fù)質(zhì)量”也曾被認(rèn)為只存在于理論之中。不過，目前世界上的許多實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)成功地證明了“負(fù)質(zhì)量”能存在于現(xiàn)實(shí)世界，并且通過航天器在太空中捕捉到了微量的“負(fù)質(zhì)量”。

　　據(jù)美國華盛頓大學(xué)物理系研究人員的計(jì)算，“負(fù)質(zhì)量”可以用來控制“蟲洞”。他們指出，“負(fù)質(zhì)量”能擴(kuò)大原本細(xì)小的“蟲洞”，使它們足以讓太空飛船穿過。他們的研究結(jié)果引起了各國航天部門的極大興趣，許多國家已考慮撥款資助“蟲洞”研究，希望“蟲洞”能實(shí)際用在太空航行上。

　　宇航學(xué)家認(rèn)為，“蟲洞”的研究雖然剛剛起步，但它潛在的回報(bào)不容忽視。科學(xué)家認(rèn)為，如果研究成功，人類可能需要重新估計(jì)自己在宇宙中的角色和位置。現(xiàn)在，人類被“困”在地球上，要航行到最近的一個(gè)星系，動(dòng)輒需要數(shù)百年時(shí)間，是目前人類不可能辦到的。但是，未來的太空航行如使用“蟲洞”，那一瞬間就能到達(dá)宇宙中遙遠(yuǎn)的地方。

　　穿越蟲洞：開啟“時(shí)空旅行”之門

　　據(jù)科學(xué)家觀測，宇宙中充斥著數(shù)以百萬計(jì)的“蟲洞”，但很少有直徑超過10萬公里的，而這個(gè)寬度正是太空飛船安全航行的最低要求?！柏?fù)質(zhì)量”的發(fā)現(xiàn)為利用“蟲洞”創(chuàng)造了新的契機(jī)，可以使用它去擴(kuò)大和穩(wěn)定細(xì)小的“蟲洞”?？茖W(xué)家指出，如果把“負(fù)質(zhì)量”傳送到“蟲洞”中，把“蟲洞”打開，并強(qiáng)化它的結(jié)構(gòu)，使其穩(wěn)定，就可以使太空飛船通過。

　　蟲洞，這個(gè)科幻園地中的主題，今天已從紙面躍出，成為天文學(xué)家搜索的目標(biāo)。蟲洞為何那么吸引人？因?yàn)樗鼮樾请H航行提供了一條捷徑。例如從地球飛往最近的鄰居——半人馬座——比鄰星，將要飛奔4光年的旅程，而通過蟲洞，卻只需幾小時(shí)就夠了。

　　其實(shí)，遠(yuǎn)在廣義相對論發(fā)表后不久，科學(xué)家就在理論上發(fā)現(xiàn)了蟲洞的存在，但此后，對它的研究進(jìn)展很慢，它的不少性質(zhì)仍然十分模糊。例如，它僅能讓光線通過？抑或也可使飛船穿行？

　　直到1988年，美國加州理工學(xué)院的索恩等人，對蟲洞作了較為深入的研究，才肯定蟲洞的兩端皆可出入，并非像黑洞那樣是“單行道”。此外，旅行者在洞內(nèi)僅受到一般的加速度。不像在黑洞中，若你的腳指向黑洞中心，那么，巨大的引力場會(huì)在頭足之間構(gòu)成極大的拉力差，足可把身首撕開。

　　索恩還提出了構(gòu)造蟲洞的概念，當(dāng)然是理論上的。他說，這涉及到對宏觀空間的挖破和扭曲。生活在二維空間（如紙面）的智慧螞蟻，它想從紙面上的一點(diǎn)走到另一點(diǎn)，按常規(guī)，只有一種辦法，即沿著連接該兩點(diǎn)的直線走去，這也是兩點(diǎn)間的最短距離。但還有一種距離更短的走法：把紙對折成兩面，使兩點(diǎn)靠得很近，再用一個(gè)紙筒（它提供了通過第三維的一條捷徑）將兩點(diǎn)接通，螞蟻可經(jīng)紙筒而到達(dá)彼點(diǎn)。為此，螞蟻必須在紙面上挖出兩個(gè)孔。

　　在這一案例中，紙筒十分類似于通過更高強(qiáng)空間的蟲洞。故欲構(gòu)筑蟲洞，必撕破空間?？臻g不是空空的嗎，怎樣去撕破，挖孔？實(shí)難想象。但相對論早就告訴我們，引力能彎曲空間。索恩說，空間的裂口處，時(shí)空會(huì)出現(xiàn)陡峭的勢態(tài)，就如黑洞中心的那種情況。但他承認(rèn)，由于沒有一個(gè)成熟的量子引力理論，對這個(gè)問題很難深入討論下去。

　　從理論可知，蟲洞內(nèi)的空間被扭曲得極不自然，以致無法使它保持暢通，即使能開通，也只是一瞬間。但蟲洞卻可讓奇異物質(zhì)通過，為何奇異物質(zhì)受此優(yōu)待呢？這還得從相對論談起。

　　愛因斯坦認(rèn)為，引力來自物質(zhì)的兩種全然不同的性質(zhì)。一種是大家熟知的，質(zhì)量密度越大，引力場也越強(qiáng)，由于物質(zhì)的質(zhì)量跟能量是等價(jià)的，故可說，能量密度（單位體積內(nèi)所含的能量）對引力作出貢獻(xiàn)；另一種是物質(zhì)對周圍所施加的壓力，就像氣體對容器壁所做的那樣，但是這種壓力原則上可正可負(fù)。若跟物質(zhì)內(nèi)所含的能量相比，這種壓力就小得微不足道。

　　但索恩說，有一種物質(zhì)卻具有極大的負(fù)壓，奇異物質(zhì)就明顯地具有這種特性，且其負(fù)壓之大，超過了它的能量密度。從而使得奇異物質(zhì)周圍的空間，被扭曲得十分奇怪，跟一般物質(zhì)的扭曲情況相比，正好改變了空間扭曲的“符號”，具體地說，其引力具有排斥性。

　　按現(xiàn)代宇宙學(xué)理論，在宇宙創(chuàng)生后立即驅(qū)使宇宙急速膨脹的力，正是“奇異”真空的具有極大負(fù)壓的排斥性引力。宇宙暴脹可能提供一種保持蟲洞開放的手段。一些物理學(xué)家認(rèn)為，暴脹可能造成“宇宙繩”環(huán)（宇宙理論中的一種物質(zhì)），當(dāng)量子蟲洞和宇宙繩環(huán)同時(shí)暴脹時(shí)，有可能產(chǎn)生宏觀的開通的蟲洞。此外，他們還相信，先進(jìn)文明所創(chuàng)造的人工蟲洞，可能用奇異物質(zhì)的“支柱”來保持蟲洞的暢通。故索恩的蟲洞，可謂之奇異物質(zhì)蟲洞。

　　科學(xué)家麥可思還提出了磁蟲洞理論。他說，極強(qiáng)烈的磁場將能彎曲時(shí)空而形成蟲洞。根據(jù)相對論，任何含有能量的東西（包括磁場），皆能彎曲空間。遠(yuǎn)在20年代，一位意大利理論家萊特，就在愛氏方程中找到了磁引力。萊特的理論說，在一個(gè)由螺線管產(chǎn)生的磁場中，螺線管內(nèi)形成了一個(gè)引力磁，但要獲得這種人工引力場，磁場需十分巨大。

　　據(jù)麥可思說，萊特的磁引力跟索恩的蟲洞極相似。麥可思說：“其理論的實(shí)際意義，就是一個(gè)磁蟲洞?！彼f，若在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)用2.5T（特斯拉）的磁場，即可構(gòu)造出一個(gè)磁蟲洞，洞的半徑極大，約為150光年，若欲將此蟲洞的半徑壓縮到實(shí)驗(yàn)室的尺度，則所施加的磁場需大到10億T，這顯然超出目前人類的科技能力（最大人工磁場約10T）。但麥可思說，在天空中必定能找到這種磁蟲洞，因?yàn)橹凶有潜砻娴拇艌鲞_(dá)10億T，在那里，磁蟲洞將自發(fā)地產(chǎn)生。

　　磁蟲洞有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，按麥可思的說法，它比較容易測量驗(yàn)證。由于磁引力也將影響光線，“在引力場中，光速將減慢。若光線通過螺線管時(shí)，其速度低于真空中的光速”，即可證明磁蟲洞的存在。不論奇異物質(zhì)蟲洞或磁蟲洞，只要存在于天空之中，就能從地球上測得它們的特征性信號。若一個(gè)蟲洞嘴處在地球和某一恒星之間，那么蟲洞的引力將引起這一恒星的光產(chǎn)生異常的波動(dòng)，將使我們看到一個(gè)兩邊特別明亮中間較暗的光學(xué)像。為何如此奇怪？這要談到負(fù)（質(zhì)量）物質(zhì)和引力透鏡。

　　據(jù)俄科學(xué)家諾朱可夫的理論，當(dāng)物體進(jìn)入蟲洞，“入口”處明顯地增大質(zhì)量，而同時(shí)在“出口”處，則立即失去對應(yīng)的這份質(zhì)量。即使此物體已穿出蟲洞，也仍會(huì)留下這些痕跡：蟲洞的一邊將保持其已獲得的質(zhì)量，而另一邊最終則呈現(xiàn)負(fù)質(zhì)量。負(fù)（質(zhì)量）物質(zhì)具有明顯的特性，它只具有排斥性引力，因而能將其周圍的任何物質(zhì)都向四周掃出，且對光線的運(yùn)動(dòng)造成極大的扭曲。

　　通常的物質(zhì)（即正質(zhì)量物質(zhì)），若正好通過地球與某一恒星之間，其引力將彎曲和放大這一恒星向地球射來的星光，很像一個(gè)聚光鏡的行為。天文學(xué)上稱之“引力透鏡”效應(yīng)。具體地說，我們這時(shí)將看到這一恒星星光比平時(shí)亮得多。

　　若這個(gè)經(jīng)過地球恒星間的天體是由負(fù)物質(zhì)構(gòu)成的，那又將如何？它也將彎曲星光，但由于其具有排斥性引力，故彎曲星光的情況迥然不同。星光經(jīng)過它身旁時(shí)，會(huì)出現(xiàn)所謂焦散現(xiàn)象，即星光從透鏡（負(fù)物質(zhì)天體）的軸線處被推出，而在兩邊上聚焦。

　　這意味著，當(dāng)負(fù)物質(zhì)天體運(yùn)動(dòng)在地球與某一恒星之間時(shí)，我們將看到，這個(gè)恒星不是像平時(shí)那樣的一個(gè)光點(diǎn)，而是在亮度上出現(xiàn)兩個(gè)突然增亮的跳躍。這種“雙峰”亮度特征信號是十分明顯的，故為探測出蟲洞提供了一個(gè)方便之門。

　　霍金：通向第四維的“蟲洞”無處不在

　　針對這一問題，霍金如是說：

　　在科學(xué)界，時(shí)間旅行一度被認(rèn)為是歪理學(xué)說。過去因?yàn)閾?dān)心有人會(huì)把怪人的標(biāo)簽貼在自己身上，我對這個(gè)問題常常避而不談。但現(xiàn)在，我不會(huì)再那么謹(jǐn)小慎微了。事實(shí)上，我更像是建造了巨石陣的那些人。我對時(shí)間癡迷已久，如果有一臺(tái)時(shí)間機(jī)器，我會(huì)去拜訪風(fēng)華正茂的瑪麗蓮-夢露，或是造訪將望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)向宇宙的伽利略。或許，我還會(huì)走到宇宙的盡頭，破解整個(gè)宇宙湮滅之謎。

　　為了讓這一切從虛幻變成現(xiàn)實(shí)，我們應(yīng)以物理學(xué)家的角度來重新審視時(shí)間——即第四維。這個(gè)問題沒有聽上去那么晦澀難懂。每個(gè)好學(xué)的孩子都知道，任何物體都以三維形式存在，包括坐在輪椅上的我。一切物體都有寬度、高度和長度。此外，還有一種長度——時(shí)間的長度。例如，雖然一個(gè)人可能活了80歲，但巨石陣的石頭卻數(shù)千年屹立不倒。太陽系的運(yùn)行將持續(xù)數(shù)十億年。

　　一切物體都有時(shí)間以及空間的長度。時(shí)間旅行意味著我們要經(jīng)過第四維。要想搞明白這一點(diǎn)，我們可以想象正在從事一種日?；顒?dòng)，比如開車。開車沿直線行駛，是在一維中旅行。向左轉(zhuǎn)或是向右轉(zhuǎn)，則是二維旅行。驅(qū)車上下山路意味著又多增加了高度，所以是在三維空間內(nèi)。那么我們怎樣才能實(shí)現(xiàn)時(shí)間旅行？怎樣才能發(fā)現(xiàn)穿越第四維的通道呢？

　　讓我們暫時(shí)從科幻電影中尋找答案吧。在此類電影中，通常會(huì)有一臺(tái)巨大而高能耗的時(shí)間機(jī)器，這臺(tái)機(jī)器產(chǎn)生通往第四維的通道——“時(shí)光隧道”。時(shí)光旅行者——勇敢但可能有些魯莽的人，做好我們大家所知道的準(zhǔn)備，然后走進(jìn)時(shí)光隧道，來到一個(gè)他們想要到達(dá)的時(shí)間里。這一概念可能有些牽強(qiáng)，事實(shí)可能與之存在著天壤之別，但該想法本身不是那么的瘋狂。

　　物理學(xué)家們也在思考時(shí)光隧道，但我們的角度不同。我們想搞清過去或未來的通道是否存在于自然規(guī)律中？事實(shí)證明，我們認(rèn)為確實(shí)是這樣的。而且，我們還給它們起了一個(gè)名字：蟲洞。其實(shí)，蟲洞無處不在，只是因?yàn)樘。覀內(nèi)庋劭床坏搅T了。蟲洞非常小，存在于時(shí)空的隱蔽處和縫隙里。你或許認(rèn)為這是一個(gè)難以理解的概念，請耐心聽我繼續(xù)解釋吧。

　　任何物質(zhì)都不是平整無暇和實(shí)心的，如果仔細(xì)觀察，會(huì)發(fā)現(xiàn)它們上面都存在小孔和裂縫，這是一個(gè)基本的物理原理，同樣適用于時(shí)間。即便是像臺(tái)球一樣的東西，上面也有裂縫、褶皺或空洞?，F(xiàn)在容易說明這種情況也存在于第一個(gè)三維中。相信我，這一原理同樣適用于第四維。時(shí)間也存在許多微小的裂縫、褶皺和空洞。在最小的刻度下——比分子甚至原子都小，我們來到一個(gè)稱為量子泡沫（quantumfoam）的地方，這是蟲洞存在之處。

　　時(shí)空中的微小隧道或捷徑不停地在這個(gè)量子世界中形成、消失和重新形成。它們可以連接兩個(gè)隔離的空間以及兩個(gè)不同的時(shí)間。不幸的是，現(xiàn)實(shí)生活中這種時(shí)光隧道非常狹小，即使發(fā)現(xiàn)了它們，我們也不能從這個(gè)縫隙穿過——可這正是“蟲洞時(shí)間機(jī)器”概念的前進(jìn)方向。部分科學(xué)家認(rèn)為，或許有一天捕捉到一個(gè)蟲洞，將它放大數(shù)萬億倍，令其足夠的大，能讓人甚至飛船進(jìn)入。

　　如果我們擁有足夠的能量和先進(jìn)的技術(shù)，將來或許能在太空中建造一個(gè)巨型蟲洞。我并不是說一定可以做到，但如果真的有這種裝置，那么確實(shí)很了不起。一端在地球的附近，另一端則在遙遠(yuǎn)的星球附近。從理論上講，蟲洞或時(shí)光隧道不僅僅能把我們帶到別的星球。如果兩端在同一個(gè)地方，且由時(shí)間而非距離分離，在遙遠(yuǎn)的過去，飛船就能在地球附近自由出入?；蛟S恐龍會(huì)看到飛船登陸的場景。

　　(北京大學(xué)物理學(xué)院學(xué)生通訊社摘編，來自“北大物理人”微信平臺(tái)，微信號：pkuphyers)

　　參考文獻(xiàn) 《黑洞與時(shí)間彎曲》（基普·S·索恩 著，李冰 譯），《科學(xué)的畸變》（江曉原 劉兵 著）?！顿愊壬肺⑿殴娖脚_(tái)對本文亦有貢獻(xiàn)。