虫洞与星际穿越的探讨

张勇

武汉晴川学院物理教研室

虫洞与星际穿越的探讨

张勇

武汉晴川学院物理教研室

关于利用虫洞进行时间旅行的研究很多，但大多都阐述得深奥难懂。本文通过对文献的研读，站在可穿越虫洞需要的物理条件以及从因果论的角度，试图用通俗的语言来阐述，利用虫洞进行时间穿越是不可能实现的。

虫洞；负能量；因果论；引力

1 虫洞的概念及其研究发展

虫洞（Wormhole）是从爱因斯坦的广义相对论里得到的一个理论结构，指的是连接不同宇宙的时空隧道。研究表明：有可能存在两类可通过的虫洞。一类是可长期通过的洛伦兹虫洞，另一类是可瞬间通过的欧几里得虫洞[1]。

虫洞的历史已经有100年了。早在1916年爱因斯坦就发现它存在于引力场方程的解中。1957年，惠勒在一篇论文中提到了虫洞。1985年，美国物理学家萨根的小说《接触》推动了虫洞的研究。故事初稿写的是主人翁通过黑洞穿越回过去的故事。为了让故事尽可能精确些，在出版前向美国的相对论物理学家索恩求教。索恩知道，利用黑洞穿越回过去几乎是不可能的。他建议将黑洞改为虫洞。同时，这一求教，也促使索恩开始重点研究虫洞问题。1988年，索恩证明了虫洞在理论上是存在的。2014年，由诺兰导演的美国科幻大片《星际穿越》，再次掀起虫洞热。

2 可穿越虫洞实现的条件

2.1 虫洞半径远远大于一光年

为什么虫洞的半径必须远远大于一光年呢？原因是：飞船要想安全的从虫洞进出，一方面要求虫洞的几何半径要大于飞船的几何形状，另一方面，要求虫洞给飞船的张力不至于很大。广义相对论告诉我们，虫洞是一个空间高度弯曲的结构，对穿过它的物体的张力是非常大的。张力的概念在地球的潮汐里面就能体现出来。我们所熟悉的地球的潮汐，就是由于月亮对地球海水的引力变化引起的。对于月亮如此小的天体且离地球的也如此的遥远（月亮距离地球平均384,401公里），它的引力尚且能对地球的海水造成如此大的影响，更何况是虫洞这么一个引力趋于无穷大的结构。换句话说，假设存在一个虫洞，它的几何半径比飞船大，足可以让飞船穿过。但飞船在接近虫洞的过程中，受到虫洞的引力会逐渐增大。尤其是在穿越过程中，飞船受到的张力会急剧上升。在飞船飞行方向，引力会将飞船拉伸，在垂直飞行方向，引力会挤压飞船。这样一来，飞船会由于虫洞的巨大的张力而被撕扯成一长串粒子。这是我们所不想看到的。所以，要想安全通过虫洞，必须要保证虫洞的引力不至于太大。那么，多大的虫洞才刚好可以满足呢？研究表明，张力与虫洞半径的平方成反比[1]。所以，张力要很小的话，只有要求虫洞的半径非常非常大。那么，适合作为星际穿越的虫洞的临界半径需要多大呢？计算表明：虫洞的半径至少为一光年。

2.2 存在大量的负能量物质

（1）为什么需要负能量物质呢？原因是：索恩和莫里斯的研究表明，要让虫洞稳定存在，虫洞中必须存在负能量物质。因为虫洞的巨大张力会产生超强的汇聚作用，要想使得虫洞张开，必须有一种能够产生与张力相反的起发散作用的物质。负能量物质能够做到这一点。

那么问题来了：什么是负能量物质呢？所谓负能量，就是指低于真空零点能的能量(为负数)。经典物理学认为，真空是一无所有的，人们通常把真空的能量定为零。而二十世纪初发展起来的量子理论认为，真空是具有很复杂的结构，不再是一无所有，每时每刻都有大量的虚粒子对产生和湮灭。负能量物质不仅仅是理论存在，而且也在实验中被发现。1948年，一种叫做卡什米尔效应的实验里面发现了少许负能量。说的是把两个平行导体板放在真空中，结果发现了导体板之间有一种虚粒子态的能量比真空中更少，出现了负能量。出现负能量的原因是导体板之间有一种微弱的相互作用。

（2）为什么负能量物质必须要大量的才满足呢？原因是：虫洞的半径与所需要的负能量物质的是成正向关系的，换句话说，由于维持宇宙飞船安全通过的临界虫洞半径是1光年，这个半径对应的负能量物质是一个天文数字。有人估算过，这个负能量物质可以与整个银河系总质量的100倍相比较。

3 利用虫洞进行星际穿越的可能性

可穿越虫洞的前景很是诱人，但依目前的理论来看的话，存在的可能性不大。

3.1 从可穿越虫洞存在的条件来看

一方面，可穿越虫洞需要巨大的负能量物质来维持。而目前人们仅仅在微观领域发现了负能量物质，而且数量都是极其微小的。所以在宏观上存在巨大的负能量物质基本不可能。

另一方面，半径远远大于一光年的虫洞才能用做可穿越虫洞。这么大一个庞然大物，如果存在，早就被人类的仪器监测到了。而目前人类的仪器是如此的发达都没有能观测到可穿越虫洞，从这个角度来说，它是不可能存在的。

3.2 从是否违背因果论的角度看

当代著名相对论物理学家霍金曾指出利用虫洞回到过去是不可能的。因为这是违背因果论的。他设计了疯狂科学家的悖论实验[2]。一名科学家利用虫洞向一分钟之前的自己开枪。如果虫洞存在的话，那一分钟之前的自己当然会中弹死亡。那么问题来了，既然一分钟之前的自己已经死亡，那是谁开的枪呢？这是个明显的悖论。这个悖论的原因就出在设想有这么一个可以看到自己过去的虫洞。可见，虫洞的存在是违背因果论的，所以它不可能存在。

综上所述，用虫洞进行星际穿越是不肯能的。

[1]赵峥.相对论、宇宙与时空（连载）[J].大学物理，2009,12:58-61

[2]魏然.《时间旅行》的课堂引入与相对论解析[J].大学物理，2016,2:37-38