主题：【文摘】虫洞: 旅行家的天堂还是探险者的地狱？ -- 不爱吱声

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老大河待整

四. 探险者的地狱

四. 探险者的地狱

虽然数字看起来令人沮丧，但是别忘了当我们讨论虫洞的时侯，我们是在讨论一个科幻的话题。既然是讨论科幻的话题，我们姑且把眼光放得乐观些。即使我们自己没有能力建造虫洞，或许宇宙间还存在其它文明生物有能力建造虫洞，就象《星之门》的故事那样。甚至，即使谁也没有能力建造虫洞，或许在浩瀚宇宙的某个角落里存在着天然的虫洞。因此让我们姑且假设在未来的某一天人类真的建造或者发现了一个半径为一公里的虫洞。

我们是否就可以利用它来进行星际旅行了呢？

初看起来半径一公里的虫洞似乎足以满足星际旅行的要求了，因为这样的半径在几何尺度上已经足以让相当规模的星际飞船通过了。看过科幻电影的人可能对星际飞船穿越虫洞的特技处理留有深刻的印象。从屏幕上看，飞船周围充斥着由来自遥远天际的星光和幅射组成的无限绚丽的视觉幻象，看上去飞船穿越的似乎是时空中的一条狭小的通道。

但实际情况远比这种幻想来得复杂。事实上为了能让飞船及乘员安全地穿越虫洞，几何半径的大小并不是星际旅行家所面临的主要问题。按照广义相对论，物质在通过象虫洞这样空间结构高度弯曲的区域，会遇到一个十分棘手的问题，那就是张力。这是由于引力场在空间各处的分布不均匀所造成的，它的一种大家熟悉的表现形式就是海洋中的潮汐。由于这种张力的作用，当星际飞船接近虫洞的时侯，飞船上的乘员会渐渐感觉到自己的身体在沿虫洞的方向上有被拉伸的感觉，而在与之垂直的方向上则有被挤压的感觉。这种感觉便是由虫洞引力场的不均匀造成的。一开始，这种张力只是使人稍有不适而已，但随着飞船与虫洞的接近，这种张力会迅速增加，距离每缩小到十分一，这种张力就会增加约一千倍。当飞船距离虫洞还有一千公里的时侯，这种张力已经超出了人体所能承受的极限，如果飞船到这时还不赶紧折回的话，所有的乘员都将在致命的张力作用下丧命。再往前飞一段距离，飞船本身将在可怕的张力作用下解体，而最终，疯狂增加的张力将把已经成为碎片的飞船及乘员撕成一长串亚原子粒子。从虫洞另一端飞出的就是这一长串早已无法分辨来源的亚原子粒子！

这就是星际探险者试图穿越半径为一公里的虫洞将会遭遇的结局。半径一公里的虫洞不是旅行家的天堂，而是探险者的地狱。

因此一个虫洞要成为可穿越虫洞，一个很明显的进一步要求就是：飞船及乘员在通过虫洞时所受到的张力必须很小。计算表明，这个要求只有在虫洞的半径极其巨大的情况下才能得到满足[注六]。那么究竟要多大的虫洞才可以作为星际旅行的通道呢？计算表明，半径小于一光年的虫洞对飞船及乘员产生的张力足以破坏物质的原子结构，这是任何坚固的飞船都无法经受的，更遑论脆弱的飞船乘员了。因此，一个虫洞要成为可穿越虫洞，其半径必须远远大于一光年。

一光年是个什么概念呢？它相当于整个太阳系半径 (以冥王星轨道为界) 的一千五百多倍。如果用地球的线度来衡量的话，它大约是地球直径的七亿倍。因此，科幻电影《星之门》把虫洞的出入口建在地球及其它行星上是完全不可能的，因为入口如此狭小的虫洞不仅无法让人安全穿越，而且会把周围的一切在瞬息之间撕裂成亚原子粒子。在萨根的故事中，曾有人反对艾丽与同事把外星球智慧生物提供的蓝图付诸实施，因为他们担心那有可能是一个用来毁灭地球的装置。他们的担忧其实是很有道理的。

五. 从科幻到现实

但另一方面，一光年用日常的距离来衡量虽然是一个巨大的线度，用星际的距离来衡量，却也不算惊人。我们所在的银河系的线度大约是它的十万倍，假如在银河系与两百二十万光年外的仙女座大星云之间存在一个虫洞的话，从线度上讲它只不过是一个非常细小的通道。那么会不会在我们周围的星际空间中真的存在这样的通道，只不过还未被我们发现呢？答案是否定的。因为半径为一光年的虫洞真正惊人的地方不在于它的线度，而在于维持它所需的负能量物质的数量。计算表明，维持这样一个虫洞所需的负能量物质的数量相当于整个银河系中所有发光星体质量总和的一百倍！这样的虫洞产生的引力效应将远比整个银河系的引力效应更为显著，如果在我们附近的星际空间中存在这种虫洞的话，周围几百万光年内的物质运动都将受到显著的影响，我们早就从它的引力场中发现其踪迹了。

因此不仅在地球上不可能建造可穿越虫洞，在我们附近的整个星际空间中都几乎不可能存在可穿越虫洞而未被发现。

这样看来，我们只剩下一种可能性需要讨论了，那就是在宇宙的其它遥远角落里是否有可能存在可穿越虫洞？对于这个问题，我们也许永远都无法确切地知道结果，因为宇宙实在太大了。但是维持可观测虫洞所需的数量近乎于天方夜谭的负能量物质几乎为我们提供了答案。迄今为止，人类从未在任何宏观尺度上发现过负能量物质，所有产生负能量物质的实验方法利用的都是微弱的量子效应。为了能够维持一个可穿越虫洞，必须存在某种机制把量子效应所产生的微弱的负能量物质汇集起来，达到足够的数量。但是负能量物质可以被汇聚起来吗？最近十几年来物理学家们在这方面做了一些理论研究，结果表明由量子效应产生的负能量物质是不可能无限制地加以汇聚的。负能量物质汇聚得越多，它所能够存在的时间就会越短。因此一个虫洞没有负能量物质是不稳定的，负能量物质太多了也会不稳定！那么到底什么样的虫洞才能够稳定的呢？初步的计算表明，只有线度比原子的线度还要小二十几个数量级的虫洞才是稳定的[注七]！

这一系列结果无疑是非常冷酷的，如果这些结果成立的话，存在可穿越虫洞的可能性就基本上被排除了，所有那些美丽的科幻故事也就都成了镜花水月。不过幸运 (或不幸) 的是，上面所叙述的许多结果依据的是目前还比较前沿 - 因而相对来说也还比较不成熟 - 的物理理论。未来的研究是否会从根本上动摇这些理论，从而完全推翻我们上面介绍的许多结果，还是一个未知数。退一步讲，即使那些物理理论基本成立，上面所叙述的许多结果也只是从那些理论推出的近似结果或特例。比方说，许多结果假定了虫洞是球对称的，而实际上虫洞完全可以是其它形状的，不同形状的虫洞所要求的负能量物质的数量，所产生张力的大小都是不同的。所有这些都表明即使那些物理理论真的成立，我们上面提到的结论也不见得是完全普遍的。未来在这一领域中无疑会有更深入的探索，或许那些新的探索会为我们带来有关可穿越虫洞的新的希望。

二零零五年十一月十三日写于纽约

http://www.changhai.org/

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注释

[注一] Star Trek 分好几个系列，这句题记属于 The Next Generation 系列。

[注二] 先驱者十号飞离海王星轨道的时侯，冥王星处于海王星轨道之内，因此人们把先驱者号飞离海王星轨道作为飞离太阳系的标志。当然，这里我们不去考虑目前争议中的太阳系边界究竟在哪里的问题。

[注三] 更确切地讲，先驱者十号目前的方向是金牛座的 Aldebaran 星，那是一颗红巨星。

[注四] 在萨根的《接触》之前也有许多科幻小说，比如 1968 年发表的克拉克 (Arthur C. Clarke) 的著名小说《2001：太空奥得赛》 (2001: A Space Odyssey)，用到了类似的星际旅行方式，这种方式后来也被人们诠释为是利用虫洞。但这属于事后诠释，那些小说本身并未使用 “虫洞” 这一术语。

[注五] 严格地讲，物理学中的虫洞不一定代表快捷路径，有关这一点请参阅 Wormhole: 遥远的天梯。

[注六] 虫洞的半径越大，质量也会越大，在同样距离上产生的张力也就越大。但是虫洞的半径越大，飞船在进入及通过虫洞时距离虫洞物质的距离就越大。由于张力对距离远比对质量更为敏感，两相比较之下，半径越大的虫洞越有利于星际飞船的通过。

[注七] 更确切地讲，那些研究表明，虫洞的线度要么比原子的线度小二十几个数量级，要么 - 如果虫洞的线度是宏观的话 - 虫洞中的负能量物质必须很不可思议地分布在一个比原子核半径还小得多的弦状区域内。迄今为止只有假想中的宇宙弦有可能具有这种高密度的弦状能量分布，但所有已知的宇宙弦模型中弦的能量密度都是正的。

参考文献

M. S. Morris, K. S. Thorne, Wormholes in spacetime and their use for interstellar travel: A tool for teaching general relativity, Am. J. Phys. 56, 395, 1988.

M. Visser, Lorentzian Wormholes: from Einstein to Hawking (AIP Press, American Institute of Physics, 1996).

Thomas A. Roman, Some Thoughts on Energy Conditions and Wormholes, gr-qc/0409090.

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