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第一步，學好廣義相對論。第二步，學好量子力學。第三步，學好量子引力理論。目前我們主要卡在第三步。
撰文 | 王昱
審校 | 白德凡
300年后，你終于攢足首付買到了自己心儀的宇宙飛船，迫不及待想在銀河之間遨游。但馬上你發(fā)現(xiàn)了一個嚴峻的問題：真實的宇宙里沒有傳送門。宇宙太大了，即使以光速飛行，從太陽系抵達最近的恒星也需要四年以上的時間。當然，考慮到相對論鐘慢效應(yīng)，在你看來花的時間并沒有那么久。但地球上的銀行可管不了這么多，他們會按照地球上的時間讓你還“飛船貸”。
那如何才能避免宇宙旅行中的時間危機呢？是時候制造一個蟲洞了。
在科幻作品中，蟲洞是一種常見的捷徑、跨越時空的橋梁，可以讓你跳過太空旅行中無聊的等待，以極快的速度抵達目的地。既然是科幻作品，自然需要現(xiàn)實理論的支撐，所以，在真實世界中，我們?nèi)绾尾拍苤圃煲粋€蟲洞？
愛因斯坦-羅森橋
愛因斯坦建立的廣義相對論是描繪宇宙的語言。根據(jù)廣義相對論，引力本質(zhì)上并不是一種力，而是宇宙中物質(zhì)分布帶來的時空曲率。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)將如何運動。我們無法在宇宙中超光速運動，卻能在時空的不同區(qū)域建造隧道——也就是蟲洞。這并沒有違反廣義相對論的框架，這種時空隧道名為愛因斯坦-羅森橋（The Einstein-Rosen Bridge），它更為人所熟知的名字是蟲洞。
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，蟲洞作為一種異常現(xiàn)象，誕生于怪異的黑洞中卻并不會顯得奇怪。
黑洞是廣義相對論方程的奇點。在廣義相對論中，當物質(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，黑洞遍不可避免的產(chǎn)生了。黑洞的邊界被稱為事件視界，一旦跨越，就連光也無法從扭曲的時空漩渦中逃離。
但黑洞并不是唯一的奇點。廣義相對論的方程同樣允許完全相反的奇點存在，也就是白洞。白洞的中心同樣有一個奇點，但它的事件視界和黑洞相反。任何物質(zhì)都無法進入白洞，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。因為白洞太過活躍，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，白洞最終會演化到黑洞演化的起點——一顆恒星。這違反了熱力學第二定律，所以白洞這一選項被排除了。
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視界之內(nèi)，你必須進入黑洞才能繼續(xù)蟲洞之旅。但黑洞的性質(zhì)決定了，一旦進入黑洞，就永遠無法離開，無論如何，你都會被黑洞中心奇點周圍巨大的引力梯度撕碎。
莫里斯-索恩橋
所以，如果想用蟲洞進行星際旅行，除了構(gòu)建一個蟲洞，我們還必須保證我們能從這個蟲洞穿越過去。還好，廣義相對論的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，物理學家邁克爾·莫里斯（Michael Morris）和基普·索?。↘ip Thorne）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（Morris-Thorne Bridge）。但在他們的條件下，蟲洞必須是由“負物質(zhì)”——或者說“奇異物質(zhì)”——構(gòu)成的。
這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)，構(gòu)建可穿越蟲洞的關(guān)鍵物質(zhì)是質(zhì)量為負的“負物質(zhì)”。在蟲洞方程中引入負質(zhì)量，可以消除蟲洞的不穩(wěn)定性，同時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。
但負質(zhì)量物質(zhì)又是什么呢？
我們在宇宙中還沒有發(fā)現(xiàn)負質(zhì)量物質(zhì)。這種物質(zhì)的性質(zhì)非常奇怪，當它受力時，根據(jù)動力學方程，因為負號的作用，它會朝著力的反方向運動。這完全顛覆了我們對物理學的理解。假如生活中存在負質(zhì)量物質(zhì)，那去超市購物時如果買了-2斤大米，超市似乎還要倒欠我們幾元錢。
奇異能量
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質(zhì)量物質(zhì)，但負能量卻是真實存在的。真空中，兩塊相距很近的板之間會因為零點真空能的漲落產(chǎn)生一定的引力，這個過程中的真空能漲落，可能導致負能量密度的出現(xiàn)，這被稱為卡西米爾效應(yīng)。
卡西米爾效應(yīng)示例 圖片來源：Wikipedia
卡西米爾效應(yīng)不僅被測到過，甚至在制造納米結(jié)構(gòu)時，這還是一個不得不考慮的干擾因素。在有負能量的地方，就有可能建立穩(wěn)定的、可供穿越的蟲洞。但目前我們的負能量實驗局限于納米尺度，想要建造真正可用的蟲洞，或許還要寄希望于量子引力這一未知領(lǐng)域。
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，但前提是允許負能量（負質(zhì)量物質(zhì)）的存在。而量子力學告訴我們?nèi)绾萎a(chǎn)生負能量，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。
除了常規(guī)量子引力理論，我們或許還能用更奇特的理論來構(gòu)建蟲洞，比如弦論。弦論希望將物理學中的點狀粒子替換為一維的弦和二維的膜，由此解決量子引力問題。事實上，弦論的框架本身容許穩(wěn)定蟲洞的存在，但弦論本身并不完整，目前我們還無法證實這種理論。
參考鏈接：
https://arstechnica.com/science/2022/05/how-to-build-a-wormhole-in-just-3-nearly-impossible-steps/
https://en.wikipedia.org/wiki/Wormhole
https://journals.aps.org/pr/abstract/10.1103/PhysRev.73.360
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