穿越不可能的距離

悲壯的尼古拉斯 2018-12-17

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在《圣誕老人奇幻之旅》中，我們提到“燭星”系統(tǒng)距離地球1830光年，如果圣誕老人駕著雪橇以“新視野號”的速度（59000公里/小時）行進，這需要大約三千多萬年的時間才能抵達地球。即使圣誕老人快如光速也需要千年的時間，那么他要如何在短時間內穿越這不可能的距離？或許雪橇可以超光速？但愛因斯坦的狹義相對論告訴我們，沒有任何物體能夠運動的與光速一樣快，這是絕對被禁止的。看來，圣誕老人只剩下唯一的一個選擇——蟲洞。

著名的天文學家卡爾·薩根（Carl Sagan），曾被科幻小說家艾薩克·阿西莫夫（Isaac Asimov）推崇為“歷史上最成功的科學普及家”。他不僅設計了旅行者號的“星際唱片”、先驅者號的“地球名片”，還創(chuàng)作了像《伊甸園的飛龍》、《暗淡藍點》、《魔鬼出沒的世界》等膾炙人口的經(jīng)典作品。

○ 卡爾·薩根在科學成就和科學普及方面都極其成功。

上個世紀80年代，薩根創(chuàng)作了極為成功的作品《宇宙》，讓更多的人認識到，其實我們和宇宙之間有著千絲萬縷的聯(lián)系，正如他所寫道的：“宇宙也在我們體內，我們都是星塵構成的。我們是宇宙了解其自身的途徑?！?/span>

在完成《宇宙》之后，他決定寫一本關于星際旅行的科幻小說：《接觸》。他在書中所設計的橋段是讓女主角快速地旅行到遠在26光年之外的織女星旁。但薩根為了在科學上盡量保持精確，于是他向他的好朋友基普·索恩（Kip Thorne）尋求建議。

○ 基普·索恩。| 圖片來源：騰訊WE大會

如果你看過電影《星際穿越》，聽說過黑洞合并輻射出的引力波，關注過2017年的諾貝爾物理學獎，那么就不可能不認識基普·索恩，他是研究愛因斯坦的引力理論——廣義相對論方面的專家。

廣義相對論方程就像是一張神秘的配方，描述著時空（空間和時間的結合）如何被揉成各種形狀——從扁平煎餅到彎曲的羊角面包。這些時空的形狀決定其他物體的運動方式。試想一下，當你在野餐時，看見一直路過的螞蟻。仔細觀察你會發(fā)現(xiàn)這只螞蟻繞著蘋果走的路線要比穿過餐巾紙的路線更曲折，這就好比宇宙中的物體（行星、彗星等）也會在彎曲的區(qū)域沿著彎曲的路徑移動。那么，是什么彎曲了時空？是質量和能量的總量與分布，例如，太陽系的引力阱是由太陽的質量雕刻出來的。

○ 質量會彎曲時空。

在極端情況下，聚集在足夠小區(qū)域內的一團物質會撕裂時空的結構，導致所謂的奇點——一個密度無窮大的點。在這一點上，時空似乎走到了盡頭。這并非科幻小說中的情節(jié)，而是廣義相對論的核心方程的史瓦西解的情況。史瓦西解描述的是超致密的、坍縮的恒星核——黑洞。

○ 史瓦西度規(guī)是真空愛因斯坦場方程的一個解。仔細看史瓦西解就會發(fā)現(xiàn)當 r = 2M（r 為半徑，M 為質量）時出現(xiàn)的奇異性，這個半徑也被稱為史瓦西半徑。不僅如此，當半徑為零時（r = 0)，史瓦西的解中也具有奇異性，我們對其最好的理解是，這些奇異性標記著時空中真正的物理奇點（r = 2M的奇異性可以通過坐標變換予以消除），幾何自身在奇點處失效。如果你進入一個史瓦西黑洞，你就會遇到這個奇點，但我們不知道接下來會發(fā)生什么，甚至說不確定“接下來”是否是個恰當?shù)脑~。

1935年，當時在普林斯頓高等研究院的愛因斯坦和內森·羅森（Nathan Rosen）對史瓦西解的重新解釋，避免了這些奇點。他們設想了一個時空隧道，可以連接兩個相距遙遠的區(qū)域，這被稱為“愛因斯坦-羅森橋”。上世紀60年代，索恩的博士導師、創(chuàng)造“黑洞”一詞的那位富有創(chuàng)造力的物理學家——約翰·惠勒（John Wheeler）將這些連接稱為“蟲洞”。試想有一只蟲子，如果它想從一端爬到另一端，最快的方法就是抄近道：直接穿過蘋果內部。

當薩根聯(lián)系索恩時，索恩設想了一個類似史瓦西蟲洞的東西，連接著空間中兩個遙遠的部分，可以說是一條星際隧道。

但索恩意識到，史瓦西蟲洞是行不通的。首先，它非常不穩(wěn)定，即使是一點點質量的引力作用也會導致它的崩塌。因此，如果一艘宇宙飛船試圖進入史瓦西蟲洞，蟲洞就會關閉。而且，如果蟲洞的入口位于一個黑洞的內部，旅行者將會遭遇到致命的輻射、讓人粉身碎骨的引力，以及足以讓人惡心反胃的加速度。

索恩和邁克爾·莫里斯（Michael Morris）想出一個替代方案，他們找到了廣義相對論方程的一種新穎的解，這種解是一個可以被人類旅行者穿越的蟲洞。

如何穿越蟲洞？

這個解決方案是專門為消除進入黑洞的麻煩而設計的，可以相對快速、舒適地通過蟲洞。進入蟲洞的“洞口”（入口），然后穿過蟲洞的“咽喉”（通道），旅行者會發(fā)現(xiàn)自己從空間中另一處的另一個口里冒出來。如果一切順利，她將迅速到達另一顆恒星附近，而不是經(jīng)過數(shù)百年甚至更長的時間才能到達。

莫里斯和索恩意識到，他們的計劃是極端假設性的，需要一個幾乎不可思議的工程壯舉才能實現(xiàn)。首先，創(chuàng)造蟲洞所需的質量相當于一個星系的質量。此外，還需要一種新的被稱為“奇異物質”的負能量密度的材料，來撐開蟲洞的喉嚨，防止它坍塌。然而，沒有什么已知物質的質量是負的。

惠靈頓維多利亞大學的物理學家馬特·維瑟（Matt Visser）提出了一些讓人保持樂觀的理由，他很快就找到了一種方法，將所需的異常物質的質量降至最低。正如他和其他人指出的那樣，奇異物質具有與量子真空能量相同的特征，量子真空是粒子物理的基態(tài)，具有能夠產(chǎn)生排斥力的負壓強。

也許未來的文明能夠開采出足夠的能量來建造蟲洞。被稱為“幽靈能量”（phantom energy）的假想能量——一種具有相當大負壓強的暗能量，被用來解釋宇宙膨脹的加速度——也有望成為穩(wěn)定蟲洞的潛在方法。

在莫里斯和索恩發(fā)表第一篇論文后不久，他們與索恩在加州理工學院的另一名博士生烏爾維·尤爾瑟弗（Ulvi Yurtsever）合作，撰寫了另一篇引人注目的文章，展示蟲洞如何能夠被用作時間機器。

關鍵是要加速蟲洞的一個洞口，使之接近光速，同時讓另一個洞口保持靜止。狹義相對論的時間膨脹現(xiàn)象告訴我們，相對于一個靜止的觀察者，在一個接近光速的物體附近的時間會顯著減慢。因此，雖然靜止的洞口已經(jīng)經(jīng)過了100年，而高速的洞口——如果它的速度足夠快——或許只經(jīng)過了一年時間。如果前者的日歷顯示的是2118年，那么后者的日歷就是2019年。假設一個太空旅行者在2118年航行到蟲洞固定的口，如果通過蟲洞喉嚨的速度足夠快，她將在2019年從蟲洞移動的洞口里出來。

回到過去

如果在打開這篇文章之前，你曾在猶豫過自己出了閱讀這篇文章還可以做些什么，那么現(xiàn)在你或許有了答案——假設你有一艘先進的宇宙飛船和一個宇宙定位系統(tǒng)（CPS）裝置，只要找到一個蟲洞，穿過它，回到你開始閱讀這篇文章之前的時間，說服自己去打一局游戲就可以了。

然而，有人提醒說，你的行為會造成一個悖論，因為如果你從未讀過這篇文章，你就不知道如何回到過去（或者至少沒有必要）。

為了避免諸如此類的悖論，比如遇見過去的自己并說服自己永遠不要追求時間旅行，或者回到過去并意外地消滅自己的祖先，一些物理學家斷言，穿越回過去的時間旅行是不可能的。例如，斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）提出了時序保護猜想，以保護過去不受篡改。

其他人，比如莫斯科州立大學和俄羅斯列別捷夫物理研究所的伊戈爾·諾維科夫（ Igor Novikov）則在他所謂的“自我一致性原則”中提出，通向過去的時間航行沒有問題，只要改變的過去與現(xiàn)在保持一致，也就是說，它確實應該發(fā)生。例如，如果你回到過去，說服卡爾·薩根，蟲洞不適合他的小說，也許這就是他需要聯(lián)系基普·索恩、看看蟲洞是否適合的動機，而這導致了后來實際發(fā)生的事情。

最后，有一些人推測，逆時間旅行可能會導致時間分叉，從而通向平行現(xiàn)實。

無論如何，索恩、莫里斯、尤爾瑟弗、諾維科夫、霍金、維瑟等人的工作推動了對時空旅行和蟲洞的討論，使之從充滿幻想的科幻小說發(fā)展為嚴肅的、同行評議的（盡管是高度推測性的）科學。

誰知道呢，也許有一天，我們的文明會進步到足以驗證這些深遠的假設，并創(chuàng)造或發(fā)現(xiàn)真正的蟲洞。只有時間會告訴我們答案。如果蟲洞存在，我們就擁有了世界上所有的時間。