白洞與蟲洞

□ 問　天

白洞與蟲洞

□ 問天

愛因斯坦是20世紀當(dāng)之無愧的最偉大的科學(xué)家之一，1915年他創(chuàng)立了廣義相對論，闡釋了引力與時空的關(guān)系。其中的愛因斯坦場方程真是神奇無比，它蘊含了宏觀宇宙物質(zhì)世界的發(fā)展變化規(guī)律。由此產(chǎn)生了當(dāng)時人們還無法理解和接受的不少物理概念，例如，時間擴展（time dilation）和引力紅移（gravitational redshift）；同時，廣義相對論還預(yù)言了一些新奇的天體物理現(xiàn)象和另類天體的存在，例如，引力透鏡、引力波和黑洞，等等。這些科學(xué)概念或天體現(xiàn)象的真?zhèn)螏缀醭闪舜撕笠粋€世紀里科學(xué)家們不斷探索和研究的對象。隨著時間的流逝，廣義相對論的一些預(yù)言逐漸被科學(xué)試驗和科學(xué)探測所證實，廣義相對論已被科學(xué)家們視為正確和神圣的理論。

然而，在廣義相對論那里，仍然有兩個尚難確定的幽靈縈繞在科學(xué)家們的腦海，科學(xué)迷們談起它們往往也是樂此不疲，這兩個幽靈難以被抓住，卻又揮之不去，它們就是白洞和蟲洞。

白洞

廣闊的宇宙里有數(shù)不清的天體，各種天體會發(fā)生千變?nèi)f化的天文現(xiàn)象，通過觀測，認清它們的物理屬性或規(guī)律，然后給它們一個確切的名稱。行星、恒星、脈沖星和類星體等天體名稱就是這樣得來的，這是人類認識宇宙的一個自然過程。然而，黑洞和白洞這兩個天文學(xué)概念，卻與一般情況不同，它們首先出現(xiàn)在科學(xué)理論中。根據(jù)愛因斯坦的廣義相對論，在物理時空的某個區(qū)域內(nèi)，如果物質(zhì)和光只能從外部進入，而不能從區(qū)域內(nèi)逃出，那么這里就是黑洞；相反，在物理時空的某個區(qū)域內(nèi)，如果物質(zhì)和光只能從內(nèi)部逃出，而不能從區(qū)域外進入，那么這里就是白洞。

黑洞與白洞（美術(shù)圖）

黑洞的概念出現(xiàn)后，最初科學(xué)家們無法想象這種天體為何物？但是，隨著天文學(xué)的發(fā)展，人們認識到大質(zhì)量的恒星消耗完內(nèi)部的氫原子，走到生命的終點會塌縮成為一個質(zhì)量足夠大密度也足夠大的天體——黑洞。最近數(shù)十年的觀測，確定了黑洞這種天體的存在。尤其是，今年天文學(xué)家宣布探測到兩個黑洞合并產(chǎn)生的引力波，這進一步表明黑洞是一種實實在在的天體。

自然界中存在一種奇妙的現(xiàn)象——對稱。上和下，左和右，正和負，正電子和負電子，物質(zhì)和反物質(zhì)，這些事實告訴人們自然界有某種獨特的規(guī)律性。從廣義相對論的定義看，黑洞和白洞同樣是對稱的一對概念，既然自然界有黑洞，按照對稱原則推斷，就應(yīng)該存在白洞，那么自然界的實際情況又是怎樣的呢？

科學(xué)家們尋找黑洞，當(dāng)然也不會放過白洞，可是，茫茫宇宙中，沒有白洞的絲毫痕跡。盡管有人最初把類星體和γ暴視為白洞，但是，種種觀測結(jié)果很快就打消了某些科學(xué)家的這種想法。直到現(xiàn)在科學(xué)家們?nèi)匀粵]有找到白洞這種天體，哪怕是疑似白洞，也是悄無聲息。更讓人失望的是，按照現(xiàn)代天體物理學(xué)的理論，沒有任何天體物理過程可以形成白洞。從物理學(xué)的角度，更進一步考慮，白洞現(xiàn)象還違反特定的熱力學(xué)定律。這樣一來，白洞仍然只能是一個數(shù)學(xué)預(yù)測或稱數(shù)學(xué)游戲，難于走向現(xiàn)實。

宇宙大爆炸可能對應(yīng)一個白洞過程

但是，科學(xué)家們并沒有放棄對白洞的探求，或許，人類現(xiàn)在認知宇宙自然的能力非常有限，觀測和探測宇宙自然的能力制約了我們對其各種現(xiàn)象的認識。那么，科學(xué)家們可以通過大膽猜想甚至幻想，企圖解開白洞之謎。有科學(xué)家提出，在我們的宇宙中，大質(zhì)量的恒星塌縮形成黑洞時，考慮到量子物理效應(yīng)，物質(zhì)不會在黑洞中心形成奇點，當(dāng)黑洞中心的物質(zhì)密度達到一定程度時，黑洞物質(zhì)會反彈，向另一個宇宙噴發(fā)，在那個宇宙中物質(zhì)和光都是向外逃跑，這就是一個白洞。這意味著，在我們的宇宙中的每個黑洞，可以對應(yīng)一個白洞，反彈形成白洞的宇宙是我們的宇宙之外的另一個宇宙。不過，這些科學(xué)的推測或猜想還很難得到驗證。

按照上述觀點，有科學(xué)家認為，大爆炸形成我們的宇宙，就是一個白洞現(xiàn)象，整個宇宙在膨脹，所有物質(zhì)都在不斷向外逃離。

蟲洞

每個人都喜歡旅行，不論是國內(nèi)還是國外，看一看不一樣的山水風(fēng)光，體會一下異地的風(fēng)土人情。自古以來，人類還有更宏大的向往，渴望到月球，到火星，到更遙遠的太空，去看一看外星球上的景象，去發(fā)現(xiàn)外星人，或者將來移民到那里過另一種生活。但是，地球之外的星球?qū)嵲谔b遠，距離我們最近的月亮有38.4萬千米遠，火星到地球的最近距離有7800萬千米，距離地球最近的太陽系外恒星比鄰星在4.24光年的遠處，更遙遠的星系有數(shù)十萬光年，數(shù)百萬光年甚至更遠的距離。憑借現(xiàn)有的技術(shù)，人類只能親身到達月球，或許未來幾年內(nèi)可能抵達火星。而對于太陽系以外和銀河系以外的星球，人類是可望而不可即，要想去往那里，只能幻想著有一條捷徑。

哈勃太空望遠鏡拍攝的星系團A bell 2744，處在南半天球玉夫座方位，距離地球約39.8億光年。

長久以來，人類在觀測天體探測宇宙的過程中，并沒有發(fā)現(xiàn)存在連接遙遠時空的捷徑。到了20世紀，通過愛因斯坦的廣義相對論場方程，科學(xué)家們卻不可思議的認識到，相距遙遠的天體之間可能有捷徑相通。1916年，史瓦西公布了他的愛因斯坦場方程的解之后，奧地利的科學(xué)家路德維格·弗拉姆（Ludwig Flamm）最早認識到“時空捷徑”這種奇怪現(xiàn)象存在的可能性，不過并沒有引起人們的注意。1935年，愛因斯坦和他的同事內(nèi)森·羅森（Nathan Rosen）做了相同的研究工作，指出浩瀚的宇宙空間存在連接遙遠天體的捷徑，他們將這個“捷徑”稱為“愛因斯坦-羅森橋”（Einstein-Rosen bridge），當(dāng)然，愛因斯坦-羅森橋也可以連接距離較近的宇宙時空中的兩個地點。1957年，美國物理學(xué)家惠勒（John Archibald Wheeler）創(chuàng)造“蟲洞”（wormhole）一詞表示理論得出的愛因斯坦-羅森橋。從此蟲洞的概念流傳開來。

兩維平面上，有相距遙遠的兩點A和B，折彎平面后，兩點之間穿一個洞，就是A和B之間的蟲洞，通過蟲洞從A點到B點，距離變得很近。

我們生活的空間是三維空間，加上一維時間，那就是四維時空，連接四維時空中的兩個遙遠地點的蟲洞是什么樣子？這超出了人類的直觀經(jīng)驗，無論如何也無法明確地想象出來。但是，我們可以利用簡單的例子，來說明這個超乎人類想象力的問題。假設(shè)有一張非常非常大的長方形紙張，在它的一個表面有兩個點A和B，A點和B點相距非常遙遠，不管用何種交通工具從A點到B點都要花費相當(dāng)長的時間。如果將這張巨大的紙張彎折（如上圖所示），且在A和B之間穿出一條細洞，這樣由A到達B就會非常快。這條細洞就是兩維平面上相距遙遠的兩點（A和B）之間的一個蟲洞。將這種情景擴展到我們的三維空間，就是我們的四維時空中的蟲洞。

按照愛因斯坦廣義相對論場方程的史瓦西解，黑洞是所有物質(zhì)和光輻射塌縮的區(qū)域，白洞則與之相反，所有物質(zhì)和輻射都向外噴出，它們代表兩個不同的宇宙，蟲洞就是兩者之間的通道。1962年，美國科學(xué)家惠勒和福勒發(fā)表論文稱，如果蟲洞連接的是同一個宇宙的兩個不同地點，那么它非常不穩(wěn)定，一旦有光和物質(zhì)經(jīng)過，它會很快塌縮和斷裂，所以這種蟲洞不可穿越。而英國科學(xué)家霍金和美國科學(xué)家索恩等人認為，具有負能量密度的奇特物質(zhì)可以保持蟲洞穩(wěn)定，因而可以讓物體通過，這兩位科學(xué)家是可穿越蟲洞存在的支持者。

可以保持蟲洞穩(wěn)定并且可通行的奇特物質(zhì)是何種物質(zhì)？暗物質(zhì)是否可以充當(dāng)這一角色？2014年11月，來自印度、意大利和美國的科學(xué)家組成的一個研究小組發(fā)表論文認為，銀河系中可能有一個穩(wěn)定可穿行的蟲洞。他們結(jié)合其他旋渦星系的旋轉(zhuǎn)曲線與暗物質(zhì)關(guān)系的模型，計算了銀河系中暗物質(zhì)的分布。他們發(fā)現(xiàn)銀河系中心暈中包含足量的暗物質(zhì)，那么，這些暗物質(zhì)足以使得銀河系中產(chǎn)生一個蟲洞并使其處于穩(wěn)定可通行的狀態(tài)，沿著這條蟲洞可以通向我們的宇宙時空的另一個遙遠地方。

如果宇宙空間確實存在蟲洞，那么通過它作遠距離的太空航行，可以節(jié)省大量的時間。設(shè)想，有一個連接銀河系和仙女星系的蟲洞，假設(shè)此蟲洞內(nèi)兩個星系的距離只有9000萬千米。按照人類現(xiàn)有飛行器可達到的每小時60000千米的速度，從銀河系飛行到仙女星系只需要1500小時，即62.5天。而銀河系到仙女星系的實際空間距離約250萬光年，在普通的三維宇宙空間行走，即使是以光速前進，也要花上250萬年。顯然，在蟲洞外的觀察者看來，蟲洞中的旅行是超光速的，而實際上只是由于蟲洞是一條捷徑而已，其中飛船的飛行速度并沒有超過光速，因此不違背基本的物理規(guī)律。

根據(jù)廣義相對論，通過蟲洞，不僅僅可以在相距遙遠的兩個宇宙地點之間做快速旅行，還可在兩個不同的時間點之間旅行，也就是時間旅行（time travel）。假如，2016年有兩個同為20歲的年輕人甲和乙，其中甲乘坐飛船以非?？斓乃俣蕊w行，或者飛船處于引力場非常強的星球上，由于時間膨脹的原理，飛船上的時間過得慢，假設(shè)飛船上經(jīng)過了4年已是2020年的話，地球上的時間可能已是40年過去了，到了2056年，此時地球上的另一個年輕人乙已是60歲。如果飛船出發(fā)時，已將一個蟲洞的一端安置在飛船上（另一端留在地球），此時，飛船上的年輕人甲，通過蟲洞，可以很快回到地球上，那么他的年齡只有24歲，時間仍然是2020年，而此時地球的時間則比甲的時間多出了36年，通過蟲洞，甲來到了2056年，這樣年輕人甲做了一次時間旅行。這種情形在美國電影《星際穿越》中出現(xiàn)過，航天員庫珀飛回到太陽系以后，她的女兒已是一位奄奄一息的老太太，而他仍是40多歲的樣子。

后來，科學(xué)家認識到，如果宇宙空間有三維之外的額外維度的話，不需要奇特的負能量密度物質(zhì)，蟲洞也可以存在，這是膜宇宙理論。這種觀點認為，我們的三維宇宙是四維空間的一張膜，如果我們能有辦法離開這張膜非常微小的一丁點，距離的度量會迅速縮小，比如，本來相距1000米的兩點，脫離膜1微米，那么距離可能就變成1納米。

從蟲洞具有的性質(zhì)來看，它對人類有很大的用途。通過它，短時間內(nèi)跨越宏大的距離，到宇宙的遠方去；時間旅行也是意義非凡，如果現(xiàn)在醫(yī)學(xué)的不治之癥患者，通過飛船到達時間膨脹非常嚴重的星球，在那里待上一段時間，然后通過蟲洞回到地球，那時地球上高度發(fā)達的醫(yī)學(xué)可以治愈患者的不治之癥，使其能繼續(xù)健康地生活?；蛘?，你有到未來幾百年甚至未來幾千年的時代生活的愿望，那么蟲洞旅行則可以實現(xiàn)你的理想。

不過，就現(xiàn)在的科學(xué)技術(shù)水平而言，蟲洞似乎只是一種理論中的概念，它與現(xiàn)實的距離似乎比遙遠的宇宙還遠。

（責(zé)任編輯張長喜）

未來的人造飛行器在蟲洞中飛行（美術(shù)圖）