制造一個蟲洞，或許需要這兩座“橋”

　　若干年后，你終于攢足首付買到了自己心儀的宇宙飛船，迫不及待地想要遨游在銀河之間。但馬上，你發(fā)現(xiàn)了一個嚴(yán)峻的問題：宇宙太大了，即使以光速飛行，從太陽系抵達(dá)最近的恒星，也要超過4年的時間。

　　這時，你想到了蟲洞。在科幻作品中，蟲洞是一種跨越時空的“橋梁”，可以讓你跳過太空旅行中漫長的時間，以極快的速度抵達(dá)目的地。拋開科幻作品不談，在真實(shí)世界中，我們?nèi)绾尾拍苤圃煲粋€蟲洞？

　　愛因斯坦—羅森橋

　　根據(jù)愛因斯坦廣義相對論，引力本質(zhì)上并不是一種力，而是宇宙中因物質(zhì)分布而帶來的時空曲率。物質(zhì)決定了時空如何扭曲，而扭曲的時空又決定了物質(zhì)將如何運(yùn)動。我們無法在宇宙中以超光速運(yùn)動，卻能在時空的不同區(qū)域建造隧道，這種時空隧道就是愛因斯坦—羅森橋，它有一個更為人所熟知的名字——蟲洞。

　　如果想搭建蟲洞，我們需要將能量和物質(zhì)按特定的方式排列起來，使時空彎曲，確保時空隧道能夠出現(xiàn)。而廣義相對論方程的解告訴我們，蟲洞作為一種異?，F(xiàn)象，誕生于怪異的黑洞中。

　　黑洞是廣義相對論方程的奇點(diǎn)。在廣義相對論中，當(dāng)物質(zhì)被擠壓到極高的密度，以至于任何相互作用都不能抵擋這些物質(zhì)對時空造成的扭曲，黑洞便不可避免地產(chǎn)生了。黑洞的邊界被稱為事件視界，事件視界范圍內(nèi)，就連光也無法逃逸。

　　但黑洞并不是唯一的奇點(diǎn)。廣義相對論方程同樣允許完全相反的奇點(diǎn)存在，也就是白洞。白洞的中心同樣有一個奇點(diǎn)，但它的事件視界方向和黑洞相反，任何物質(zhì)都無法進(jìn)入白洞，而白洞內(nèi)的任何物質(zhì)在形成時就會以超光速被拋離出去。

　　從數(shù)學(xué)上看，白洞會在黑洞產(chǎn)生時自然形成，而一對相連的黑洞和白洞會自動形成一個蟲洞。

　　但是，用這種辦法建造蟲洞還有兩個小問題。

　　首先，自然中幾乎不可能存在白洞。因?yàn)榘锥刺^活躍，高度不穩(wěn)定。白洞的事件視界一直在不斷向外輻射物質(zhì)。由于白洞在廣義相對論方程上和黑洞完全等價，只有事件方向相反，因此演化過程中的白洞看起來會是黑洞演化過程的倒放。所以，白洞最終會演化至黑洞演化的起點(diǎn)——一顆恒星。這違反了熱力學(xué)第二定律，所以白洞這一選項(xiàng)被排除了。

　　就算真的能構(gòu)建一對黑洞和白洞，那么它們兩者之間形成的蟲洞入口只會位于黑洞事件視界之內(nèi)，你必須進(jìn)入黑洞才能實(shí)現(xiàn)蟲洞之旅。但黑洞的性質(zhì)決定了物體一旦進(jìn)入黑洞，就永遠(yuǎn)無法離開，你會被黑洞中心奇點(diǎn)周圍巨大的引力梯度撕碎。

　　莫里斯—索恩橋

　　所以，如果想通過蟲洞進(jìn)行星際旅行，光構(gòu)建一個蟲洞還不夠，我們還必須保證人類能從這個蟲洞穿越過去。還好，廣義相對論方程允許我們把蟲洞的入口“放”到黑洞事件視界之外，但代價就是這樣的蟲洞極不穩(wěn)定，哪怕只有一個光子穿越蟲洞，整個蟲洞的時空結(jié)構(gòu)就會立即以超光速坍塌。

　　1988年，物理學(xué)家邁克爾·莫里斯和基普·索隆發(fā)現(xiàn)了構(gòu)建穩(wěn)定、可用、可供穿越的蟲洞的方法，被稱為莫里斯—索恩橋。但在他們的條件下，蟲洞必須是由“負(fù)物質(zhì)”或者說“奇異物質(zhì)”構(gòu)成。

　　“負(fù)物質(zhì)”不是電荷與正常物質(zhì)相反的反物質(zhì)，也不是看不見卻能提供引力的暗物質(zhì)，而是質(zhì)量為負(fù)的物質(zhì)。在蟲洞方程中引入負(fù)質(zhì)量，可以消除蟲洞的不穩(wěn)定性，同時又可以讓蟲洞的入口膨脹到足夠大，足以讓宏觀物體穿越蟲洞。

　　但負(fù)質(zhì)量的物質(zhì)又是什么呢？

　　我們在宇宙中還沒有發(fā)現(xiàn)負(fù)質(zhì)量的物質(zhì)。這種物質(zhì)的性質(zhì)非常奇怪，當(dāng)它受力時，根據(jù)動力學(xué)方程，它會朝著力的反方向運(yùn)動。這完全顛覆了我們對物理學(xué)的理解。

　　根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程，能量和質(zhì)量本質(zhì)上是等價的。雖然我們沒能在宇宙中找到負(fù)質(zhì)量物質(zhì)，但負(fù)能量卻是真實(shí)存在的。真空中，兩塊相距很近的板之間會因?yàn)檎婵樟泓c(diǎn)能的漲落產(chǎn)生一定的引力，這個過程中的真空能漲落，就可能導(dǎo)致負(fù)能量密度的出現(xiàn)，這被稱為卡西米爾效應(yīng)。

　　在有負(fù)能量的地方，就有可能建立穩(wěn)定的、可供穿越的蟲洞。但目前我們的負(fù)能量實(shí)驗(yàn)局限于納米尺度，想要建造真正可用的蟲洞，或許還要寄希望于量子引力。

　　廣義相對論告訴我們蟲洞可能存在，并且能保持穩(wěn)定，能讓物質(zhì)穿越過去，但前提是允許負(fù)能量（負(fù)質(zhì)量物質(zhì)）的存在。而量子力學(xué)告訴我們?nèi)绾萎a(chǎn)生負(fù)能量，但這種效應(yīng)只有在微觀尺度下才能存在。想要獲得真正可用的蟲洞，或許我們首先要解決的問題是建立量子引力理論。（據(jù)環(huán)球科學(xué)公眾號）