人類可穿越蟲洞？物理學(xué)家新研究：蟲洞旅行理論上并非不可能

蟲洞旅行是太空科幻小說中最常見的元素之一，假想中的太空飛船可以通過穿越蟲洞來實(shí)現(xiàn)超光速旅行（FTL，faster-than-light），瞬間到達(dá)在空間上離自己非常遠(yuǎn)的地方。由于廣義相對論認(rèn)為宇宙中不存在比光速還快的速度，所以蟲洞旅行在廣義相對論下是不存在的。

然而近幾年的物理研究認(rèn)為，這種蟲洞或許存在于以量子物理為主的微觀層面上。最近的一項(xiàng)研究又給這一觀點(diǎn)添加了新依據(jù)。來自普林斯頓高級研究院的理論物理教授 Juan Maldacena 和普林斯頓大學(xué)天體物理專業(yè)的畢業(yè)生 Alexey Milekhin 共同研究，闡述了一種 “被現(xiàn)有物理所允許存在的”、大小足夠人類進(jìn)入的蟲洞存在的可能。這篇名為《人類可穿越的蟲洞》的論文發(fā)表在預(yù)印本網(wǎng)站 arxiv.org 上。

蟲洞的概念最早由德國物理學(xué)家 Karl Schwarzschild 提出，是對愛因斯坦廣義相對論里的場方程的一個解（在物理學(xué)中被稱為 Schwarzschild 度量），為黑洞的存在提供了首個理論基礎(chǔ)。

Schwarzschild 度量在理論上預(yù)示了“永恒黑洞” 的存在，也就是時空中的點(diǎn)與點(diǎn)之間存在“直接聯(lián)系”，但 Schwarzschild 所提出的這類蟲洞（也被稱為愛因斯坦 - 羅森橋）坍縮速度極快，并不穩(wěn)定，以至于任何事物可能都無法成功進(jìn)入這種蟲洞并穿過它。

另外，這種可穿越的蟲洞需要滿足特殊條件才能出現(xiàn)，比如存在負(fù)能量（在宏觀層面的物理學(xué)中不被允許存在，但在量子物理中被允許存在），對此，Maldacena 和 Milekhin 表示，量子物理中的“卡西米爾效應(yīng)”就是一個很好的例子，量子場在沿閉合圓圈路徑傳播的過程中會產(chǎn)生負(fù)能量，這種效應(yīng)所能帶來的影響通常很小，但對帶有較大磁感電荷的黑洞來說效果顯著，而物理學(xué)家們也正是因此才想到以 “帶電的無質(zhì)量費(fèi)米粒子” 的特性為起點(diǎn)，構(gòu)建足夠穩(wěn)定的蟲洞。

具體來說，“帶電的無質(zhì)量費(fèi)米粒子”在帶磁感電荷的黑洞附近沿黑洞磁感線的軌跡行進(jìn)時（與太陽風(fēng)中的帶電粒子與地球磁場作用產(chǎn)生極光的運(yùn)動狀態(tài)類似），黑洞附近的 “真空能”能被修改并可為負(fù)（負(fù)能量的概念），并以此能支持穩(wěn)定蟲洞的存在，且使該蟲洞在有事物借其進(jìn)行 “穿越” 之前不會坍縮。

雖然這類黑洞對微觀粒子的“穿越”而言已經(jīng)足夠，但若想構(gòu)建一個能讓人也“穿越”的蟲洞，必須另辟蹊徑，在標(biāo)準(zhǔn)模型外的物理學(xué)中尋找方法。Maldacena 和 Milekhin 認(rèn)為，一種名為 Randall-Sundrum II 的模型（也被稱為是五維扭曲幾何理論）就是構(gòu)建這類黑洞的解決方法。該模型最早由理論物理學(xué)家 Lisa Randall 和 Raman Sundrum 提出，是為了解決粒子的層級問題，在數(shù)學(xué)上以一種五維時空對宇宙進(jìn)行了描述，允許物理學(xué)家以更低的能級對一些理論進(jìn)行解釋。但其第五維度僅通過重力與我們所熟知的物質(zhì)發(fā)生聯(lián)系，因此并不能被檢測到。

事實(shí)上，該模型其實(shí)就相當(dāng)于是為我們已知的理論添加了許多互相之間存在強(qiáng)相互作用的無質(zhì)量場，也正是因此，該模型才會涉及負(fù)能量的概念。Maldacena 和 Milekhin 在論文中提出，由該模型所構(gòu)建的穩(wěn)定蟲洞的外貌應(yīng)該與于中等大小的帶電黑洞類似，會產(chǎn)生能擾亂航天器行進(jìn)軌跡的引力 “潮汐力”，航天器必須配有極強(qiáng)的推力裝置才能成功進(jìn)入這種蟲洞，但進(jìn)入蟲洞后，航天器是否能順利“穿越” 仍是一個問題。哈佛大學(xué)的物理研究員 Daniel Jafferis 認(rèn)為，穩(wěn)定蟲洞雖可能存在，但實(shí)際走完該蟲洞所需花費(fèi)的時間，在蟲洞外來看可能會比 “穿越” 不穩(wěn)定蟲洞要長的多。

在廣義相對論中，物體的行進(jìn)速度越接近光速，它所在的自身參考系內(nèi)的時間流逝也就越慢，比如假設(shè)有宇航員能成功駕駛航天器借基于 Randall-Sundrum II 模型的蟲洞穿越一段十萬光年的距離，那么對實(shí)施穿越的宇航員來說，穿越本身可能只是一瞬的事，而對于地球上的人們來說，他們的穿越可能花費(fèi)了超過一萬年的時間。

盡管由于蟲洞的引力，航天器并不需要額外的燃料來完成穿越，但 Maldacena 和 Milekhin 認(rèn)為，由于進(jìn)入蟲洞內(nèi)的任何事物都會被加速，因此廣泛存在于宇宙空間中的宇宙背景輻射也可能會對穿越蟲洞的宇航員構(gòu)成致命危害，甚至拋開危害不談，人類目前的科技水平離能造一艘 “能穿越這種蟲洞” 的航天器還差的很遠(yuǎn)。

Maldacena 和 Milekhin 在論文中強(qiáng)調(diào)，他們的這項(xiàng)研究僅是為了探尋 “廣義相對論與量子物理學(xué)之間的相互作用是否會允許穩(wěn)定蟲洞的存在”，但就結(jié)果而言，雖然我們并不知道這種蟲洞是否真的在宇宙中存在，也還沒有能借這種蟲洞進(jìn)行長距離太空旅行的技術(shù)，但至少在當(dāng)前看來，科幻小說中“借蟲洞旅行” 的情景在物理學(xué)上并非完全不可能。

（摘自美《深科技》）（編輯/費(fèi)勒萌）