虫洞真的能让人在一秒之内跨越整个宇宙吗?如果这条捷径确实存在,为什么最懂它的物理学家反而宁愿它从未出现?要回答这两个问题,不妨先从虫洞的模样说起,再看它如何从方程中诞生,又为何让科学家心存戒备。
如果你在现实中亲眼看到一个虫洞,它大概会呈球形,外观有点像黑洞。来自另一个世界的光线从中穿出,让这个球体像一扇窗户,把某个极其遥远的地方摆在你眼前。
一旦你穿过去,另一侧的景象会完全铺展开来,而你原来所在的地方则缩成一扇闪烁的球形窗户,在身后渐渐远去。
这样的画面足够迷人,却也立刻引出疑问:虫洞究竟真实存在,还是只是披着物理学和数学外衣的魔术?如果它们是真的,又是怎样运作的,我们该去哪里寻找?要弄清这些问题,得先回到人类对“空间”这一概念的理解,看看它在过去一百多年里发生了怎样的根本转变。
在人类历史的大部分时间里,人们认为空间很简单,像一座巨大的舞台,各种事件在上面轮番上演。即便把所有行星和恒星都拿走,仍会剩下某种东西,那座空荡荡的舞台就是空间。
它始终存在,一成不变,直到永恒。这种观念直观而稳固,几乎没人想到舞台本身也会发生变化。
爱因斯坦的相对论改变了这一切。按照相对论,空间和时间共同构成这座舞台,而且舞台并非处处相同。
舞台上的物体会反过来影响舞台,将它拉伸、扭曲。如果说旧观念里的舞台像纹丝不动的硬木地板,那么爱因斯坦的舞台更像一张水床。
有弹性的空间可以弯曲,甚至可能被撕裂和修补,虫洞正是由此成为可能。
换一个更形象的比喻,空间并非一块死板的钢板,而像一张可以弯曲的蹦床。物体放上去,表面就会凹陷;如果弯曲达到极致,两个原本相隔亿万光年的点甚至可能被拉到一起。
连接这两点的那条短管,就是人们所说的虫洞。爱因斯坦的广义相对论,为这条宇宙捷径提供了最初的理论土壤。
借助二维图景更容易理解这一点。把宇宙想象成一块巨大的平板,如果它以恰当的方式弯折,虫洞就能像一座短桥,把两个相距极其遥远的地方直接连起来。旅行者不必沿着平板慢慢前进,而是几乎瞬间就能从桥的这头走到那头,相当于以超过光速的效率跨越宇宙。
那么,我们能在哪里找到虫洞?答案是:目前只在纸上。广义相对论表明虫洞或许是可能的,但这并不意味着它们一定存在。
广义相对论本质上是一套数学理论,由一组方程构成。这组方程有许多可能的解,并非每个解都能对应现实。
尽管如此,虫洞在理论上确实可能存在,而且不止一种类型。
最早被提出的是爱因斯坦-罗森桥,它把每个黑洞都描述为通往一个无限平行宇宙的门户。仍用二维图景来想象:空无一物的时空是平坦的,物体会让它弯曲。
如果把物体不断压缩,周围的时空就弯得越来越厉害,最终扭曲到极点,只能坍缩成黑洞。黑洞形成单向屏障,也就是事件视界,任何东西都能进去,却无法逃脱。
按照传统图景,落入黑洞的一切最终会永远困在核心的奇点之中。但也许那里根本没有奇点。
一种可能是,事件视界另一侧的世界有点像我们的宇宙,只不过镜像颠倒,时间倒流。在我们这边,物质不断坠入黑洞;在时间倒流的那个宇宙里,镜像黑洞则会向外喷出物质,有点像一场大爆炸,这被称为白洞。
遗憾的是,爱因斯坦-罗森桥实际上无法穿越。想要抵达对面的宇宙,旅行者需要花费无限长的时间,而虫洞本身会在中间收缩、闭合。
换句话说,如果你跳进黑洞,并不会从白洞那一头潇洒地走出来,结局只会是变成一具尸体。要想在眨眼之间穿越宇宙,人类需要另一种虫洞:可穿越的虫洞。
希望或许藏在弦理论里。如果弦理论或它的某种变体正确描述了我们的宇宙,那么宇宙中可能早已存在一张由无数虫洞交织而成的网络。
大爆炸后不久,在远小于原子的尺度上,量子涨落可能创造出许多可穿越的虫洞,而贯穿其中的弦被称为宇宙弦。在极其短暂的瞬间之后,这些微小虫洞的两端被拉开到数光年之遥。
如果虫洞真的在早期宇宙中大量诞生,它们如今应当散布在宇宙各处,等待被发现,有些甚至可能比我们想象的更近。从外面看,黑洞和虫洞非常相似,因此一些物理学家提出,星系中心的超大质量黑洞或许实际上就是虫洞。
不过,即便如此,一路前往银河系中心依然是难以想象的漫长旅程。
既然远处的虫洞难以触及,还有另一种同样极其困难的办法:自己动手造一个。要让虫洞可以穿越,需要满足几个条件。
第一,它必须真正连接时空中两个相距遥远的部分,比如卧室和浴室,或者地球和木星。第二,它的事件视界不能阻碍双向通行。
第三,它必须足够大,以免引力杀死人类旅行者。
其中最大的难题,是让虫洞保持打开。无论用什么方法造出虫洞,引力都会试图让它闭合,切断中间的通道,只在两端留下黑洞。
不管是可以双向穿越的虫洞,还是通往另一个宇宙的虫洞,都会趋向于关闭,除非有某种东西把它撑住。对于弦理论中那些古老的虫洞,宇宙弦承担了这项任务;对于人造虫洞,则需要一种新成分。
这种成分就是奇异物质。它不是地球上能找到的任何物质,甚至也不是反物质,而是一种前所未见、性质极为反常的东西:具有负质量。
人和行星这样的正质量物质会通过引力吸引其他物体,负质量却会产生排斥,把东西推开,因此可以充当反引力支架撑开虫洞。但它施加的压力必须极大,甚至要超过中子星中心的压力。
奇异物质也许并非全无线索,候选者可能就是空间本身的真空。看似空无一物的空间里,量子涨落不断产生成对的粒子和反粒子,它们随即相互湮灭,真空因此像在持续沸腾。
人类已经能够操纵这些涨落,产生类似负质量的效应,或许有朝一日可以借此稳定虫洞,让人类真正掌握塑造时空的能力。
一旦虫洞能够保持开放,还要解决它的位置问题。新造出的虫洞两端最初挨在一起,必须把它们分别送到有意义的地方。
我们可以先在太阳系里“布线”:把每个虫洞的一端放在地球轨道上,把另一端送往深空。这样一来,地球就可能成为一个虫洞枢纽,连接起一个跨越数光年的星际文明,各地之间只隔着一道门。
然而,虫洞也有令人不安的一面,最刺激也最令人恐惧的可能性正是时间旅行。根据广义相对论,引力场越强的地方,时间流逝越慢;根据狭义相对论,运动速度越快,时间流逝也越慢。
这两条规律早已得到验证,而一旦和虫洞结合,它们就可能把这条空间捷径变成一条穿越时间的通道。
设想把虫洞的一个出口固定在地球上,另一个出口装上一艘以接近光速飞行的飞船。由于钟慢效应,飞船飞完一圈回来时,船内可能只过去了一年,而地球上已经度过了更长的岁月。
于是,虫洞两端不再处于同一时刻,从一端钻进去,就可能在另一端回到过去。这正是虫洞最危险的地方。
仅仅打开一个虫洞,就可能从根本上破坏宇宙,引发种种时间旅行悖论,违背宇宙的因果结构。一旦结果可以跑到原因前面,关于因果、逻辑和时间的规则都将面临崩溃。
正因如此,许多科学家认为,这不仅意味着虫洞无法被制造,甚至意味着它们根本不可能存在,也难怪物理学家宁愿它永远停留在理论里。
从水床般可以弯曲的时空,到爱因斯坦-罗森桥与白洞,再到宇宙弦、奇异物质和地球虫洞枢纽,虫洞一路展现出跨越宇宙的诱人前景,也暴露出撕裂因果的深层隐患。
那扇在身后闪烁远去的球形窗户依旧迷人,但就目前而言,我们只知道它存在于人类的想象之中,以及写在纸上的方程里。