不同的时空与史瓦西虫洞 史瓦西虫洞如何打开探秘

关于不同的时空与史瓦西虫洞的问题，我们大家都知道物理学家首先提出来的虫洞是史瓦西虫洞，它是广义相对论中爱因斯坦方程其中一个解的产物。

在研究爱因斯坦方程的过程中，物理学家发现除了时空中存在黑洞以外，还必须存在白洞。而白洞正好是黑洞的时间反演，里面的任何物质都会向外运动，穿过它的边界（也称为事件视界）之后就再也无法回到内部。除了黑洞和白洞这两个时空区域，还得有另外两个彼此完全隔离的时空区域，称为两个不同的“宇宙”。这两个宇宙与黑洞和白洞的关系如下：白洞中的任何粒子和信号都可以进入这两个宇宙，但都无法返回到白洞里；两个宇宙中的任何粒子和信号都可以进入黑洞，但都无法在从黑洞中逃离，只能撞上黑洞内的奇点上；两个宇宙彼此完全隔离，也就是它们之间没有任何信息可以交流。所有四个区域可以由下左的时空图来表示。

下左的时空图是在一种特殊坐标系下的时空图，图中的每一个点代表着一个二维球面。两条对角线代表事件视界，它们把时空分成了四个区域：I和IV分别代表两个彼此隔离的宇宙，II代表黑洞，III代表白洞。奇点出现在黑洞和白洞区域，以双曲线的形式表示。（你可能注意到了白洞内部也有个奇点，这个很好理解：许多物理学家认为宇宙大爆炸其实就是一个白洞，而奇点就是大爆炸之前的那个密度无穷大的点。）

在图中，我们会发现I和IV这两个的宇宙在中间点上是相连的，这个点其实就是史瓦西虫洞，可以把两个宇宙连接起来。事实上，它也把四个时空全部连接了起来。

这种虫洞就是爱因斯坦和他的同事纳森·罗森最早提出的，所以在当时他们把它称为爱因斯坦-罗森桥。它在镶嵌图中是下面右图的样子，其实可以说是一个黑洞的内部与一个白洞的内部相连所形成的时空结构。所以说，史瓦西虫洞应该是单向的，也就是说虫洞的一端任何物质只进不出，另一端只出不进。

这是一个不稳定的虫洞

那么，我们能否利用史瓦西虫洞，从我们的宇宙跑到另外一端的宇宙呢？可惜，这是不可能的。上世纪60年代，美国物理学家约翰·惠勒和他的同事发现，这种类型的虫洞是不稳定的，存在的瞬间转瞬即逝，任何物质包括光都来不及从一个宇宙中穿过虫洞并抵达另一个宇宙。

下面图中表示了史瓦西虫洞的隧道的变化过程。形成前只是两个分离的黑洞和白洞，形成虫洞后瞬间又变成黑洞和白洞。在图中可以看出，任何尝试穿过虫洞的东西都不可能从另一端出来，它最终都会在虫洞关闭之后撞到奇点上。

史瓦西虫洞的一个洞口像黑洞，另一个的洞口像白洞。事实上，对于一个外面的观察者来说，虫洞的一个洞口与真正的黑洞看上去是一模一样的。也许宇宙中的那些黑洞内部会形成短暂的史瓦西虫洞。

现在让我们来想象一下如果你从洞口进入虫洞会是什么样子。开始进入洞口的过程与进入一个黑洞类似，当你穿过事件视界之后，如果你没有被潮汐力撕碎的话，你可以看到洞口的中间有扭曲的图像，这是从虫洞另一端发射过来的光线。下面的图则简要地表示了这种情况。

图中右边的图像是虫洞这边的星空图，左边的是虫洞另一边的星空图。虽然你可以看见虫洞另一侧的景色，但很可惜你无法抵达那里。因为史瓦西虫洞是不稳定的，在你还没有反应过来的时候，虫洞就关闭了，你之后会撞倒在虫洞关闭后形成的奇点上。

史瓦西虫洞转瞬即逝，任何物质都无法穿过它。那么有没有办法使得史瓦西虫洞稳定下来呢？美国物理学家基普·索恩找到了一种办法，尽管看上去不可思议。

稳定而可穿行的虫洞

一个可穿行的虫洞应该满足下面几个条件：

1）虫洞是稳定的，或者至少可以存在很长时间，而不能像史瓦西虫洞那样，还没等物质传过去，它就关闭了；

2）虫洞内部不含有事件视界，这样物质才可以自由地双向穿行；

3）穿过虫洞得在有限时间内完成。

另外，如果人要驾驶宇宙飞船穿过虫洞，虫洞内部潮汐力的加速度得足够小，至少得小于人体所能承受的加速度（大约相当于重力加速度的10倍）。1988年，索恩和他的学生麦克·莫里斯详细地探讨了这种虫洞。根据爱因斯坦的引力方程，他们发现这种虫洞如果存在的话，其内部必须存在平均能量密度为负数的物质（下面把它称为“奇异物质”）。

这种奇异物质并不是十分的古怪，事实上我们在实验室中就可以产生它。例如，真空中彼此平行的两片金属板之间将会存在一种吸引力。因为真空并不是真的空，而是充满了能量的涨落。能量的涨落会产生虚粒子，不过金属板之间只能装下特定波长的虚粒子，这样就会导致金属板之间的真空能量比其他正常空间里的能量低。真空是平均能量为零的空间，这样金属板的空间就是平均能量为负的空间了。金属板之间的物质就可以认为是具有负能量的奇异物质。如果这样的奇异物质贯穿到虫洞之中，虫洞就有足够的时间保持开放状态让物质通过。

在高维世界打开虫洞

虽然我们可以利用金属板之间产生一些奇异物质，但那是十分稀少的。而要撑开虫洞，则需要很多奇异物质。撑开一个半径为1厘米的虫洞，需要相当于一个地球质量的奇异物质；撑开一个半径为1千米的虫洞，需要相当于一个太阳质量的奇异物质；撑开一个半径为1光年的虫洞，需要大约银河系发光物质总质量100倍的奇异物质。另外，如果能让一艘载人宇宙飞船穿过的话，虫洞内部的潮汐力引起的加速度不能太大。经过计算发现，人类能承受的虫洞，其半径至少要大于1光年。

我们完全不知道如何产生那么多的奇异物质。看来，利用奇异物质来打开虫洞并进行星际旅行，难度巨大。

不过换一个角度来想，可穿行的虫洞真的必须要有奇异物质吗？

在2002年，一些物理学家发现，高斯-波涅引力理论下的虫洞可以不需要奇异物质就可以保持打开状态，甚至它可以不需要任何物质就可以保持打开。高斯-波涅引力理论其实是一种把高维空间加入到广义相对论中的理论，它把我们的世界描述为一个四维时空的岛，或者一种“膜”，漂浮在更高维的时空中。而虫洞则可以把不同的“膜”世界连接起来，而且它不需要任何物质就可以稳定地存在。

这种虫洞真的会存在吗？很有可能。惠勒曾指出，真空中充满了量子涨落，在普朗克尺度（1.62×10-33厘米）下，真空涨落更加剧烈，如沸腾了一样，充满了“量子泡沫”，在这里会存在许多微小的虫洞。

如果这种微小的虫洞诞生在宇宙早期的话，那么它很有可能会因宇宙的暴胀（宇宙诞生之后所经历的一种剧烈的膨胀）而变得足够大，直到天文学尺度。

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