宇宙星際間可利用“蟲洞”瞬間轉移穿越嗎？(上)

星際間利用蟲洞“瞬間移動”的可能，如同超時空轉換。隨著科學技術的發展，新的研究發現，“蟲洞”的超強力場可以通過“負能量”來中和，達到穩定“蟲洞”能量場的作用。科學家認為，相對於產生能量的“正物質”，“反物質”也擁有“負品質”，可以吸去周圍所有能量。像“蟲洞”一樣，“負品質”也曾被認為只存在於理論之中。不過，目前世界上的許多實驗室已經成功地證明了“負品質”能存在於現實世界，並且通過航天器在太空中捕捉到了微量的“負品質”。

據科學家猜測，宇宙中充斥著數以百萬計的“蟲洞”，但很少有直徑超過10萬公里的，而這個寬度正是太空飛船安全航行的最低要求。“負品質”的發現為利用“蟲洞”創造了新的契機，可以使用它去擴大和穩定細小的“蟲洞”。科學家指出，如果把“負品質”傳送到“蟲洞”中，把“蟲洞”打開，並強化它的結構，使其穩定，就可以使太空飛船通過。

蟲洞是由阿爾伯特·愛因斯坦提出該理論。簡單地說，“蟲洞”就是連接宇宙遙遠區域間的時空細管。暗物質維持著蟲洞出口的敞開。蟲洞可以把平行宇宙和嬰兒宇宙連接起來，並提供時間旅行的可能性。蟲洞也可能是連接黑洞和白洞的時空隧道，所以也叫"灰道"。

蟲洞（Wormhole），又稱愛因斯坦－羅森橋，是宇宙中可能存在的連接兩個不同時空的狹窄隧道。蟲洞是1930年代由愛因斯坦及納森·羅森在研究引力場方程時假設的，認為透過蟲洞可以做暫態間的空間轉移或者做時間旅行。截至2012年其存在性尚未確認。早在19世紀50年代，已有科學家對“蟲洞”作過研究，由於當時歷史條件所限，一些物理學家認為，理論上也許可以使用“蟲洞”，但“蟲洞”的引力過大，會毀滅所有進入的東西，因此不可能用在宇宙航行上。

蟲洞的概念最初產生于對史瓦西解的研究中。物理學家在分析白洞解的時候，通過一個阿爾伯特·愛因斯坦的思想實驗，發現宇宙時空自身可以不是平坦的。如果恒星形成了黑洞，那麼時空在史瓦西半徑，也就是視界的地方與原來的時空垂直。在不平坦的宇宙時空中，這種結構就意味著黑洞視界內的部分會與宇宙的另一個部分相結合，然後在那裏產生一個洞。這個洞可以是黑洞，也可以是白洞。而這個彎曲的視界，就叫做史瓦西喉，它就是一種特定的蟲洞。自從在史瓦西解中發現了蟲洞，物理學家們就開始對蟲洞的性質發生了興趣。

蟲洞連接黑洞和白洞，在黑洞與白洞之間傳送物質。在這裏，蟲洞成為一個阿爾伯特·愛因斯坦—羅森橋，物質在黑洞的奇點處被完全瓦解為基本粒子，然後通過這個蟲洞（即阿爾伯特·愛因斯坦—羅森橋）被傳送到白洞並且被輻射出去。

蟲洞還可以在宇宙的正常時空中顯現，成為一個突然出現的超時空管道。理論推出的蟲洞還有許多特性，限於篇幅，這裏不再贅述。總之，目前我們對黑洞、白洞和蟲洞的本質瞭解還很少，它們還是神秘的東西，很多問題仍需要進一步探討。目前天文學家已經間接地找到了黑洞，但白洞、蟲洞並未真正發現，還只是一個經常出現在科幻作品中的理論名詞。

蟲洞也是霍金構想的宇宙期存在的一種極細微的洞穴。美國科學家對此做了深入的研究。目前的宇宙中，“宇宙項”幾乎為零。所謂的宇宙項也稱為“真空的能量”，在沒有物質的空間中，能量也同樣存在其內部，這是由愛因斯坦所導入的。宇宙初期的膨脹宇宙，宇宙項是必須的，而且，在基本粒子論裏，也認為真空中的能量是自然呈現的。那麼，為何目前宇宙的宇宙項變為零呢？柯爾曼說明：在爆炸以前的初期宇宙中，蟲洞連接著很多的宇宙，很巧妙地將宇宙項的大小調整為零。結果，由一個宇宙可能產生另一個宇宙，而且，宇宙中也有可能有無數個這種微細的洞穴，它們可通往一個宇宙的過去及未來，或其他的宇宙。

旋轉的或帶有電荷的黑洞內部連接一個相應的白洞，你可以跳進黑洞而從白洞中跳出來。這樣的黑洞和白洞的組合叫做蟲洞。最後，即使蟲洞存在並且是穩定的，穿過它們也是十分不愉快的。貫穿蟲洞的輻射（來自附近的恒星，宇宙的微波背景等等）將藍移到非常高的頻率。當你試著穿越蟲洞時，你將被這些X射線和伽瑪射線烤焦。蟲洞的出現，幾乎可以說是和黑洞同時的。

蟲洞有幾種說法：

一是空間中的隧道，它就像一個球體，你要是沿球面走就遠了。但如果你走的是球裏的一條直徑就近了，蟲洞就是直徑。

二是黑洞與白洞的聯繫。黑洞可以產生一個勢阱，白洞則可以產生一個反勢阱。宇宙是三維的，將勢阱看作第四維，那麼蟲洞就是連接勢阱和反勢阱的第五維。假如畫出宇宙、勢阱、反勢阱和蟲洞的圖像，它就像一個克萊因瓶——瓶口是黑洞，瓶身和瓶頸的交界處是白洞，瓶頸是蟲洞。

三是你說的時間隧道，根據愛因斯坦所說的你可以進行時間旅行，但你只能看，就像看電影，卻無法改變發生的事情，因為時間是線性的，事件就是一個個珠子已經穿好，你無法改變珠子也無法調動順序。

到現在為止，我們討論的都是普通“完美”黑洞。細節上，我們討論的黑洞都不旋轉也沒有電荷。如果我們考慮黑洞旋轉同時/或者帶有電荷，事情會變的更複雜。特別的是，你有可能跳進這樣的黑洞而不撞到奇點。結果是，旋轉的或帶有電荷的黑洞內部連接一個相應的白洞，你可以跳進黑洞而從白洞中跳出來。這樣的黑洞和白洞的組合叫做蟲洞。

白洞有可能離黑洞十分遠；實際上它甚至有可能在一個“不同的宇宙”--那就是，一個時空區域，除了蟲洞本身，完全和我們在的區域沒有連接。一個位置方便的蟲洞會給我們一個方便和快捷的方法去旅行很長一段距離，甚至旅行到另一個宇宙。或許蟲洞的出口停在過去，這樣你可以通過它而逆著時間旅行。總的來說，它們聽起來很酷。

但在你認定那個理論正確而打算去尋找它們之前，你因該知道兩件事。首先，蟲洞幾乎不存在。正如我們上面我們說到白洞時，只因為它們是方程組有效的數學解並不表明它們在自然中存在。特別的，當黑洞由普通物質坍塌形成（包括我們認為存在的所有黑洞）並不會形成蟲洞。如果你掉進其中的一個，你並不會從什麼地方跳出來。你會撞到奇點，那是你唯一可去的地方。

還有，即使形成了一個蟲洞，它也被認為是不穩定的。即使是很小的擾動（包括你嘗試穿過它的擾動）都會導致它坍塌。在史瓦西發現了史瓦西黑洞以後，理論物理學家們對愛因斯坦常方程的史瓦西解進行了幾乎半個世紀的探索。包括上面說過的克爾解、雷斯勒——諾斯特朗姆解以及後來的紐曼解，都是圍繞史瓦西的解研究出來的成果。我在這裏將介紹給大家的蟲洞，也是史瓦西的後代。

蟲洞在史瓦西解中第一次出現，是當物理學家們想到了白洞的時候。他們通過一個愛因斯坦的思想實驗，發現時空可以不是平坦的，而是彎曲的。在這種情況下，我們會十分驚奇的發現，如果恒星形成了黑洞，那麼時空在史瓦西半徑，也就是視界的地方是與原來的時空完全垂直的。在不是平坦的宇宙時空中，這種結構就以為著黑洞的視界內的部分會與宇宙的另一個部分相結合，然後在那裏產生一個洞。這個洞可以是黑洞，也可以是白洞。而這個彎曲的視界，叫史瓦西喉，也就是一種特定的蟲洞。自從在史瓦西解​中發現了蟲洞，物理學家們就開始對蟲洞的性質感到好奇。

我們先來看一個蟲洞的經典作用：連接黑洞和白洞，成為一個愛因斯坦——羅森橋，將物質在黑洞的奇點處被完全瓦解為基本粒子，然後通過這個蟲洞（即愛因斯坦——羅森橋）被傳送到這個白洞的所在，並且被輻射出去。黑洞和黑洞之間也可以通過蟲洞連接，當然，這種連接無論是如何的將強，它還是僅僅是一個連通的“宇宙監獄”。蟲洞不僅可以作為一個連接洞的工具，它還在宇宙的正常時空中出現，成為一個突然出現在宇宙中的超空間管道。

蟲洞沒有視界，它有的僅僅是一個和外界的分解面。蟲洞通過這個分解面和超空間連接，但是在這裏時空曲率不是無限大。就好比在一個在平面中一條曲線和另一條曲線相切，在蟲洞的問題中，它就好比是一個四維管道和一個三維的空間相切，在這裏時空曲率不是無限大。因而我們現在可以安全地通過蟲洞，而不被巨大的引力所摧毀。

利用相對論在不考慮一些量子效應和除引力以外的任何能量的時候，我們得到了一些十分簡單、基本的關於蟲洞的描述。這些描述十分重要，但是由於我們研究的重點是黑洞，而不是宇宙中的洞，因此我在這裏只簡單介紹一下蟲洞的性質，而對於一些相關的理論以及這些理論的描述，這裏先不涉及。

蟲洞有些什麼性質呢？最主要的一個，是相對論中描述的，用來作為宇宙中的高速火車。但是，蟲洞的第二個重要的性質，也就是量子理論告訴我們的東西又明確的告訴我們：蟲洞不可能成為一個宇宙的高速火車。蟲洞的存在，依賴於一種奇異的性質和物質，而這種奇異的性質，就是負能量。只有負能量才可以維持蟲洞的存在，保持蟲洞與外界時空的分解面持續打開。

當然，狄拉克在芬克爾斯坦參照系的基礎上，發現了參照系的選擇可以幫助我們更容易或者難地來分析物理問題。同樣的，負能量在狄拉克的另一個參照系中，是非常容易實現的，因為能量的表現形式和觀測物體的速度有關。這個結論在膜規範理論中同樣起到了十分重要的作用。根據參照系的不同，負能量是十分容易實現的。在物體以近光速接近蟲洞的時候，在蟲洞的周圍的能量自然就成為了負的。因而以接近光速的速度可以進入蟲洞，而速度離光速太大，那麼物體是無論如何也不可能進入蟲洞的。這個也就是蟲洞的特殊性質之一。

蟲洞的自然產生機制有兩種：其一，是黑洞的強大引力能。其二，是克爾黑洞的快速旋轉，其倫斯——梯林效應將黑洞周圍的能層中的時空撕開一些小口子。這些小口子在引力能和旋轉能的作用下被擊穿，成為一些十分小的蟲洞。這些蟲洞在黑洞引力能的作用下，可以確定它們的出口在那裏，但是現在還不可能完全完成，因為量子理論和相對論還沒有完全結合。

假設1.蟲洞像河流，通過的物體像船，船順河而下。2.蟲洞體像一個圓柱形磁鐵，強力的類磁力線在入口處將通過的物體分解，以波的形式在柱心管道運行，在出口處還原。通過的物體類似一個障礙，造成波的某一部分形變，然後這個形變推移到出口。可能還涉及到橫波、縱波，波的反射、折射、衍射，物質的不均勻、空間的不規則，如同水中氣泡般的宇宙空洞。3.蟲洞像一個圓柱形隧道，通過時間扭曲，把物體吸入裏面，進行太空旅行。

蟲洞是星空最後的前沿--探索星空是人類一個恒久的夢想。在晴朗的夜晚，每當我們仰起頭來，就會看到滿天的繁星。自古以來，星空以它無與倫比的浩瀚、深邃、美麗及神秘激起著人類無數的遐想。著名的美國科幻電視連續劇《星際旅行》(Star Trek) 中有這樣一句簡短卻意味無窮的題記：星空，最後的前沿(Space, the final frontier)。當我第一次觀看這個電視連續劇的時候，這句用一種帶有磁性的話外音念出的題記給我留下了令人神往的印象。

在遠古的時候，人類探索星空的方式是肉眼，後來開始用望遠鏡，但人類邁向星空的第一步則是在一九五七年。那一年，人類發射的第一個航天器終於飛出了我們這個藍色星球的大氣層。十二年後，人類把足跡留在了月球上。三年之後，人類向外太陽系發射了先驅者十號深空探測器。一九八三年，先驅者十號飛離了海王星軌道，成為人類發射的第一個飛離太陽系的航天器。

從人類發射第一個航天器以來，短短二十幾年的時間裏，齊奧爾科夫斯基所預言的“人類首先將小心翼翼地穿過大氣層，然後再去征服太陽周圍的整個空間”就成為了現實，人類探索星空的步履不可謂不迅速。但是，相對於無盡的星空而言，這種步履依然太過緩慢。率先飛出太陽系的先驅者十號如今正在一片冷寂的空間中滑行著，在滿天的繁星之中，要經過多少年它才能飛臨下一顆恒星呢？答案是兩百萬年！

那時它將飛臨距離我們六十八光年的金牛座(Taurus)。六十八光年的距離相對於地球上的任何尺度來說都是極其巨大的，但是相對于遠在三萬光年之外的銀河系中心，遠在兩百二十萬光年之外的仙女座大星雲，遠在六千萬光年之外的室女座星系團，以及更為遙遠的其他天體來說無疑是微不足道的。人類的好奇心是沒有邊界的，可是即便人類航天器的速度再快上許多倍，甚至接近物理速度的上限 - 光速，用星際空間的距離來衡量依然是極其緩慢的。

那麼，有沒有什麼辦法可以讓航天器以某種方式變相地突破速度上限， 從而能夠在很短的時間內跨越那些近乎無限的遙遠距離呢？科幻小說家們率先展開了想像的翅膀。

蟲洞是旅行家的天堂--一九八五年，美國康乃爾大學(Cornell University) 的著名行星天文學家卡爾· 薩根(Carl Sagan) 寫了一部科幻小說，叫做《接觸》(Contact)。薩根對探索地球以外的智慧生物有著濃厚的興趣，他客串科幻小說家的目的之一是要為尋找外星智慧生物的 SETI 計畫籌集資金。他的這部小說後來被拍成了電影，為他贏得了廣泛的知名度。

薩根在他的小說中敍述了一個動人的故事：一位名叫艾麗(Ellie) 的女科學家收到了一串來自外星球智慧生物的電波信號。經過研究，她發現這串信號包含了建造一台特殊設備的方法，那台設備可以讓人類與信號的發送者會面。經過努力，艾麗與同事成功地建造起了這台設備，並通過這台設備跨越了遙遠的星際空間與外星球智慧生物實現了第一次接觸。

但是，艾麗與同事按照外星球智慧生物提供的方法建造出的設備究竟利用了什麼方式讓旅行者跨越遙遠的星際空間的呢？這是薩根需要大膽“幻想”的地方。 他最初的設想是利用黑洞。但是薩根畢竟不是普通的科幻小說家，他的科學背景使他希望自己的科幻小說盡可能地不與已知的物理學定律相矛盾。於是他給自己的老朋友，加州理工大學(California Institute of Technology) 的索恩(Kip S. Thorne) 教授打了一個電話。索恩是研究引力理論的專家，薩根請他為自己的設想做一下技術評估。索恩經過思考及粗略的計算，很快告訴薩根黑洞是無法作為星際旅行的工具的，他建議薩根使用蟲洞 (wormhole) 這個概念。

這是蟲洞這一名詞第一次進入科幻小說中。在那之後，各種科幻小說、電影、 及電視連續劇相繼採用了這一名詞，蟲洞逐漸成為了科幻故事中的標準術語。這是科幻小說家與物理學家的一次小小交流結出的果實。薩根與索恩的交流不僅為科幻小說帶來了一個全新的術語，也為物理學開創了一個新的研究領域。在物理學中，蟲洞這一概念最早是由米斯納(C. W. Misner) 與惠勒(J. A. Wheeler) 於一九五七年提出的，與人類發射第一個航天器恰好是同一年。

那麼究竟什麼是蟲洞？它又為什麼會被科幻小說家視為星際旅行的工具呢？讓我們用一個簡單的例子來說明：大家知道，在一個蘋果的表面上從一個點到另一個點需要走一條弧線，但如果有一條蛀蟲在這兩個點之間蛀出了一個蟲洞，通過蟲洞就可以在這兩個點之間走直線，這顯然要比原先的弧線來得近。把這個類比從二維的蘋果表面推廣到三維的物理空間，就是物理學家們所說的蟲洞，而蟲洞可以在兩點之間形成快捷路徑的特點正是科幻小說家們喜愛蟲洞的原因。

只要存在合適的蟲洞，無論多麼遙遠的地方都有可能變得近在咫尺，星際旅行家們將不再受制於空間距離的遙遠。在一些科幻故事中，技術水準高度發達的文明世界利用蟲洞進行星際旅行就像今天的我們利用高速公路在城鎮間旅行一樣。在著名的美國科幻電影及電視連續劇《星際之門》(Stargate,港臺譯 星際奇兵)中人類利用外星文明留在地球上的一台被稱為“星際之門”的設備可以與其他許多遙遠星球上的“星際之門”建立蟲洞連接，從而能夠幾乎暫態地把人和設備送到那些遙遠的星球上。蟲洞成為了科幻故事中星際旅行家的天堂。

不過米斯納與惠勒所提出的蟲洞是極其微小的，並且在極短的時間內就會消失，無法成為星際旅行的通道。薩根的小說發表之後，索恩對蟲洞產生了濃厚的興趣，並和他的學生莫里斯(Mike Morris) 開始對蟲洞作深入的研究。與米斯納和惠勒不同的是，索恩感興趣的是可以作為星際旅行通道的蟲洞，這種蟲洞被稱為可穿越蟲洞 (traversable wormhole)。(續)