若干年后,你终于攒足首付买到了自己心仪的宇宙飞船,迫不及待地想要遨游在银河之间。但马上,你发现了一个严峻的问题:宇宙太大了,即使以光速飞行,从太阳系抵达最近的恒星,也要超过4年时间。
这时,你想到了虫洞。科幻作品中,虫洞是一种跨越时空的“桥梁”,可以让你跳过太空旅行中漫长的时间,以极快的速度抵达目的地。在真实世界中,如何才能制造一个虫洞?
爱因斯坦—罗森桥
根据爱因斯坦广义相对论,引力本质上并不是一种力,而是宇宙中因物质分布而带来的时空曲率。物质决定了时空如何扭曲,而扭曲的时空又决定了物质将如何运动。我们无法在宇宙中以超光速运动,却能在时空不同区域建造隧道,这种时空隧道就是爱因斯坦—罗森桥,即虫洞。
如果想搭建虫洞,我们需要将能量和物质按特定的方式排列起来,使时空弯曲,确保时空隧道能够出现。在广义相对论中,当物质被挤压到极高的密度,以至于任何相互作用都不能抵挡这些物质对时空造成的扭曲,黑洞便不可避免地产生了。黑洞的边界被称为事件视界,事件视界范围内,就连光也无法逃逸。但黑洞并不是唯一的奇点。广义相对论方程同样允许完全相反的奇点存在,也就是白洞。白洞的中心同样有一个奇点,但它的事件视界方向和黑洞相反,任何物质都无法进入白洞,而白洞内的任何物质在形成时就会以超光速被抛离出去。
就算真的能构建一对黑洞和白洞,那么它们两者之间形成的虫洞入口只会位于黑洞事件视界之内,你必须进入黑洞才能实现虫洞之旅。但黑洞的性质决定了物体一旦进入黑洞,就永远无法离开,你会被黑洞中心奇点周围巨大的引力梯度撕碎。
莫里斯—索恩桥
所以如果想通过虫洞进行星际旅行,光构建一个虫洞还不够,我们还必须保证人类能从这个虫洞穿越过去。1988年,物理学家迈克尔·莫里斯和基普·索隆发现了构建稳定、可用、可供穿越的虫洞的方法,被称为莫里斯—索恩桥。但在他们的条件下,虫洞必须是由“负物质”或者说“奇异物质”构成。
“负物质”不是电荷与正常物质相反的反物质,也不是看不见却能提供引力的暗物质,而是质量为负的物质。在虫洞方程中引入负质量,可以消除虫洞的不稳定性,同时又可以让虫洞的入口膨胀到足够大,足以让宏观物体穿越虫洞。
在有负能量的地方,就有可能建立稳定的、可供穿越的虫洞。但目前我们的负能量实验局限于纳米尺度,想要建造真正可用的虫洞,或许还要寄希望于量子引力。
广义相对论告诉我们虫洞可能存在,并且能保持稳定,让物质穿越过去,但前提是允许负能量(负质量物质)的存在。而量子力学告诉我们如何产生负能量,但这种效应只有在微观尺度下才能存在。想要获得真正可用的虫洞,或许我们首先要解决的问题是建立量子引力理论。