□ 问　天

白洞与虫洞

□ 问天

爱因斯坦是20世纪当之无愧的最伟大的科学家之一，1915年他创立了广义相对论，阐释了引力与时空的关系。其中的爱因斯坦场方程真是神奇无比，它蕴含了宏观宇宙物质世界的发展变化规律。由此产生了当时人们还无法理解和接受的不少物理概念，例如，时间扩展（time dilation）和引力红移（gravitational redshift）；同时，广义相对论还预言了一些新奇的天体物理现象和另类天体的存在，例如，引力透镜、引力波和黑洞，等等。这些科学概念或天体现象的真伪几乎成了此后一个世纪里科学家们不断探索和研究的对象。随着时间的流逝，广义相对论的一些预言逐渐被科学试验和科学探测所证实，广义相对论已被科学家们视为正确和神圣的理论。

然而，在广义相对论那里，仍然有两个尚难确定的幽灵萦绕在科学家们的脑海，科学迷们谈起它们往往也是乐此不疲，这两个幽灵难以被抓住，却又挥之不去，它们就是白洞和虫洞。

白洞

广阔的宇宙里有数不清的天体，各种天体会发生千变万化的天文现象，通过观测，认清它们的物理属性或规律，然后给它们一个确切的名称。行星、恒星、脉冲星和类星体等天体名称就是这样得来的，这是人类认识宇宙的一个自然过程。然而，黑洞和白洞这两个天文学概念，却与一般情况不同，它们首先出现在科学理论中。根据爱因斯坦的广义相对论，在物理时空的某个区域内，如果物质和光只能从外部进入，而不能从区域内逃出，那么这里就是黑洞；相反，在物理时空的某个区域内，如果物质和光只能从内部逃出，而不能从区域外进入，那么这里就是白洞。

黑洞与白洞（美术图）

黑洞的概念出现后，最初科学家们无法想象这种天体为何物？但是，随着天文学的发展，人们认识到大质量的恒星消耗完内部的氢原子，走到生命的终点会塌缩成为一个质量足够大密度也足够大的天体——黑洞。最近数十年的观测，确定了黑洞这种天体的存在。尤其是，今年天文学家宣布探测到两个黑洞合并产生的引力波，这进一步表明黑洞是一种实实在在的天体。

自然界中存在一种奇妙的现象——对称。上和下，左和右，正和负，正电子和负电子，物质和反物质，这些事实告诉人们自然界有某种独特的规律性。从广义相对论的定义看，黑洞和白洞同样是对称的一对概念，既然自然界有黑洞，按照对称原则推断，就应该存在白洞，那么自然界的实际情况又是怎样的呢？

科学家们寻找黑洞，当然也不会放过白洞，可是，茫茫宇宙中，没有白洞的丝毫痕迹。尽管有人最初把类星体和γ暴视为白洞，但是，种种观测结果很快就打消了某些科学家的这种想法。直到现在科学家们仍然没有找到白洞这种天体，哪怕是疑似白洞，也是悄无声息。更让人失望的是，按照现代天体物理学的理论，没有任何天体物理过程可以形成白洞。从物理学的角度，更进一步考虑，白洞现象还违反特定的热力学定律。这样一来，白洞仍然只能是一个数学预测或称数学游戏，难于走向现实。

宇宙大爆炸可能对应一个白洞过程

但是，科学家们并没有放弃对白洞的探求，或许，人类现在认知宇宙自然的能力非常有限，观测和探测宇宙自然的能力制约了我们对其各种现象的认识。那么，科学家们可以通过大胆猜想甚至幻想，企图解开白洞之谜。有科学家提出，在我们的宇宙中，大质量的恒星塌缩形成黑洞时，考虑到量子物理效应，物质不会在黑洞中心形成奇点，当黑洞中心的物质密度达到一定程度时，黑洞物质会反弹，向另一个宇宙喷发，在那个宇宙中物质和光都是向外逃跑，这就是一个白洞。这意味着，在我们的宇宙中的每个黑洞，可以对应一个白洞，反弹形成白洞的宇宙是我们的宇宙之外的另一个宇宙。不过，这些科学的推测或猜想还很难得到验证。

按照上述观点，有科学家认为，大爆炸形成我们的宇宙，就是一个白洞现象，整个宇宙在膨胀，所有物质都在不断向外逃离。

虫洞

每个人都喜欢旅行，不论是国内还是国外，看一看不一样的山水风光，体会一下异地的风土人情。自古以来，人类还有更宏大的向往，渴望到月球，到火星，到更遥远的太空，去看一看外星球上的景象，去发现外星人，或者将来移民到那里过另一种生活。但是，地球之外的星球实在太遥远，距离我们最近的月亮有38.4万千米远，火星到地球的最近距离有7800万千米，距离地球最近的太阳系外恒星比邻星在4.24光年的远处，更遥远的星系有数十万光年，数百万光年甚至更远的距离。凭借现有的技术，人类只能亲身到达月球，或许未来几年内可能抵达火星。而对于太阳系以外和银河系以外的星球，人类是可望而不可即，要想去往那里，只能幻想着有一条捷径。

哈勃太空望远镜拍摄的星系团A bell 2744，处在南半天球玉夫座方位，距离地球约39.8亿光年。

长久以来，人类在观测天体探测宇宙的过程中，并没有发现存在连接遥远时空的捷径。到了20世纪，通过爱因斯坦的广义相对论场方程，科学家们却不可思议的认识到，相距遥远的天体之间可能有捷径相通。1916年，史瓦西公布了他的爱因斯坦场方程的解之后，奥地利的科学家路德维格·弗拉姆（Ludwig Flamm）最早认识到“时空捷径”这种奇怪现象存在的可能性，不过并没有引起人们的注意。1935年，爱因斯坦和他的同事内森·罗森（Nathan Rosen）做了相同的研究工作，指出浩瀚的宇宙空间存在连接遥远天体的捷径，他们将这个“捷径”称为“爱因斯坦-罗森桥”（Einstein-Rosen bridge），当然，爱因斯坦-罗森桥也可以连接距离较近的宇宙时空中的两个地点。1957年，美国物理学家惠勒（John Archibald Wheeler）创造“虫洞”（wormhole）一词表示理论得出的爱因斯坦-罗森桥。从此虫洞的概念流传开来。

两维平面上，有相距遥远的两点A和B，折弯平面后，两点之间穿一个洞，就是A和B之间的虫洞，通过虫洞从A点到B点，距离变得很近。

我们生活的空间是三维空间，加上一维时间，那就是四维时空，连接四维时空中的两个遥远地点的虫洞是什么样子？这超出了人类的直观经验，无论如何也无法明确地想象出来。但是，我们可以利用简单的例子，来说明这个超乎人类想象力的问题。假设有一张非常非常大的长方形纸张，在它的一个表面有两个点A和B，A点和B点相距非常遥远，不管用何种交通工具从A点到B点都要花费相当长的时间。如果将这张巨大的纸张弯折（如上图所示），且在A和B之间穿出一条细洞，这样由A到达B就会非常快。这条细洞就是两维平面上相距遥远的两点（A和B）之间的一个虫洞。将这种情景扩展到我们的三维空间，就是我们的四维时空中的虫洞。

按照爱因斯坦广义相对论场方程的史瓦西解，黑洞是所有物质和光辐射塌缩的区域，白洞则与之相反，所有物质和辐射都向外喷出，它们代表两个不同的宇宙，虫洞就是两者之间的通道。1962年，美国科学家惠勒和福勒发表论文称，如果虫洞连接的是同一个宇宙的两个不同地点，那么它非常不稳定，一旦有光和物质经过，它会很快塌缩和断裂，所以这种虫洞不可穿越。而英国科学家霍金和美国科学家索恩等人认为，具有负能量密度的奇特物质可以保持虫洞稳定，因而可以让物体通过，这两位科学家是可穿越虫洞存在的支持者。

可以保持虫洞稳定并且可通行的奇特物质是何种物质？暗物质是否可以充当这一角色？2014年11月，来自印度、意大利和美国的科学家组成的一个研究小组发表论文认为，银河系中可能有一个稳定可穿行的虫洞。他们结合其他旋涡星系的旋转曲线与暗物质关系的模型，计算了银河系中暗物质的分布。他们发现银河系中心晕中包含足量的暗物质，那么，这些暗物质足以使得银河系中产生一个虫洞并使其处于稳定可通行的状态，沿着这条虫洞可以通向我们的宇宙时空的另一个遥远地方。

如果宇宙空间确实存在虫洞，那么通过它作远距离的太空航行，可以节省大量的时间。设想，有一个连接银河系和仙女星系的虫洞，假设此虫洞内两个星系的距离只有9000万千米。按照人类现有飞行器可达到的每小时60000千米的速度，从银河系飞行到仙女星系只需要1500小时，即62.5天。而银河系到仙女星系的实际空间距离约250万光年，在普通的三维宇宙空间行走，即使是以光速前进，也要花上250万年。显然，在虫洞外的观察者看来，虫洞中的旅行是超光速的，而实际上只是由于虫洞是一条捷径而已，其中飞船的飞行速度并没有超过光速，因此不违背基本的物理规律。

根据广义相对论，通过虫洞，不仅仅可以在相距遥远的两个宇宙地点之间做快速旅行，还可在两个不同的时间点之间旅行，也就是时间旅行（time travel）。假如，2016年有两个同为20岁的年轻人甲和乙，其中甲乘坐飞船以非常快的速度飞行，或者飞船处于引力场非常强的星球上，由于时间膨胀的原理，飞船上的时间过得慢，假设飞船上经过了4年已是2020年的话，地球上的时间可能已是40年过去了，到了2056年，此时地球上的另一个年轻人乙已是60岁。如果飞船出发时，已将一个虫洞的一端安置在飞船上（另一端留在地球），此时，飞船上的年轻人甲，通过虫洞，可以很快回到地球上，那么他的年龄只有24岁，时间仍然是2020年，而此时地球的时间则比甲的时间多出了36年，通过虫洞，甲来到了2056年，这样年轻人甲做了一次时间旅行。这种情形在美国电影《星际穿越》中出现过，航天员库珀飞回到太阳系以后，她的女儿已是一位奄奄一息的老太太，而他仍是40多岁的样子。

后来，科学家认识到，如果宇宙空间有三维之外的额外维度的话，不需要奇特的负能量密度物质，虫洞也可以存在，这是膜宇宙理论。这种观点认为，我们的三维宇宙是四维空间的一张膜，如果我们能有办法离开这张膜非常微小的一丁点，距离的度量会迅速缩小，比如，本来相距1000米的两点，脱离膜1微米，那么距离可能就变成1纳米。

从虫洞具有的性质来看，它对人类有很大的用途。通过它，短时间内跨越宏大的距离，到宇宙的远方去；时间旅行也是意义非凡，如果现在医学的不治之症患者，通过飞船到达时间膨胀非常严重的星球，在那里待上一段时间，然后通过虫洞回到地球，那时地球上高度发达的医学可以治愈患者的不治之症，使其能继续健康地生活。或者，你有到未来几百年甚至未来几千年的时代生活的愿望，那么虫洞旅行则可以实现你的理想。

不过，就现在的科学技术水平而言，虫洞似乎只是一种理论中的概念，它与现实的距离似乎比遥远的宇宙还远。

（责任编辑张长喜）

未来的人造飞行器在虫洞中飞行（美术图）