虫洞不能让你回到过去 但或许可用来躲避星际战争

　　如果外星人之间发生星际战争，而地球人打不过外星人，那么地球人应该怎么办？最新的虫洞研究也许可以给我们一定的启示：人类可以躲在虫洞里，等战争结束了再出来。

　　以前说到虫洞，大都与星际旅行这个话题有关。因为宇宙太大，而人类的飞行器速度太慢，我们的寿命也很短，所以要跨越遥远的星际空间几乎是不可能完成的任务。比如距离太阳最近的恒星位于半人马座，与我们大约相隔4光年，就算以光速的百分之一飞行，也要需要400年时间才能抵达这里;而太阳距离银河系中心则是26000光年，所以在当前的技术水平下，前往银河系中心几乎是一个遥不可及的梦想。最近人类拍摄到的第一张黑洞照片，则位于距离太阳系5500万光年的遥远星空，人类的肉身怎么可以穿越这遥远的星辰大海？

　　于是，大家总是说，想要穿越遥远的星际空间，只能依靠虫洞。但是，最新的虫洞研究告诉我们，通过虫洞实现星际旅行可能并不是最佳选择。

可穿越虫洞：关键是负质量

　　要理解最新的虫洞研究，需要先看看虫洞研究的历史。

　　1935年，爱因斯坦与罗森在研究广义相对论的时候发现了“爱因斯坦与罗森桥”，这是一种不可穿越的虫洞——所谓“不可穿越”，就是不能在有限的时间内通过这个虫洞，所以这种虫洞在现实中并没有实际意义。

　　这种尴尬的局面一直持续了整整50年才有所改变。1985年，美国康奈尔大学的天文学家与科学作家卡尔·萨根(Carl Edward Sagan)写了一本科幻小说《接触》(Contact)。这部小说描述了人类通过虫洞穿越到了距地球26光年的织女星附近，然后与外星文明接触，最后顺利返回地球。

　　这部小说可以看成是人类第一次提出了“可穿越虫洞”的概念——所谓“可穿越虫洞”，意思就是说人类可以在有限的时间内穿越虫洞并返回。

　　在写这部小说的过程中，卡尔·萨根一开始也对这个领域也没有太多研究，他错误地把虫洞写成了黑洞。但他请教了他的一位老朋友——加州理工学院的物理学家基普·索恩(Kip Thorne)教授，后者建议他把黑洞换成虫洞来作为星际旅行的工具。

　　在和卡尔·萨根交流时，索恩知道黑洞不能用于星际旅行，于是他想到了他的导师约翰·惠勒(John Wheeler)在十几年前提出的“虫洞”概念。

　　但惠勒的虫洞概念也仅仅是一个概念，没有任何物理计算细节。所以索恩与他的学生迈克·莫里斯(Mike Morris)一起，开始用正统的广义相对论知识对虫洞物理学展开研究，并在两年后发布了研究论文。这篇论文发表在《美国物理杂志》(American Journal of Physics)上，标题是“时空中的虫洞及它们在星际旅行中的应用：讲授广义相对论的工具”(Wormhole in spacetime and their use for interstellar travel： A tool for teaching general relativity)。

　　这张图片来自索恩的虫洞论文，直线表示虫洞的一个入口在时空中的轨迹(世界线)，曲线是虫洞的出口在时空中的轨迹。世界线上的阿拉伯数字表示出口与入口当地的时间。

　　虫洞是连接出口与入口的一个隧道，在索恩的虫洞模型中，虫洞很短，穿越这个虫洞所需要的时间可以近似为零。在这种情况下，当一个人从虫洞的入口进入，再从虫洞的出口出来，随后他在沿着虫洞返回入口，他有可能穿越到自己的过去，这将引起祖父悖论。

　　索恩与他的学生在论文中提出的观点大致是这样的：爱因斯坦的引力场方程的左边是空间曲率，而右边是能量动量张量。对爱因斯坦引力方程的分析表明，要想产生可穿越的虫洞，引起这种时空弯曲的物质所对应的能量动量张量必须违反平均类光能量条件。也就是说，想要制造出一个人类可以往返穿越的虫洞，必须消耗巨大的负质量物质来撑住这个隧道——否则这个隧道很容易“塌方”。根据爱因斯坦的狭义相对论，质量与能量是等价的，所以负质量意味着负能量——但宇宙中根本就不存在大规模的负能量，所以要想打开可穿越的虫洞似乎是不可能的。

　　根据广义相对论，违反平均类光能量条件是所有可穿越虫洞的先决条件。换句话说，如果要想穿越虫洞，相当于要求经过虫洞的类光测地线(也就是以光速运动的粒子)不能在虫洞里汇聚，而这需要用到印度的一位著名物理学家瑞查德符里(Amal Kumar Raychaudhuri)提出的方程。通过瑞查德符里的方程可以看出，在虫洞中，光线只有在物质场的能量动量张量违反平均类光能量条件下才不会撞上奇点——在这种情况下，聚焦在虫洞一端的光线在离开虫洞的另一端时会散开，这样才可以顺利从虫洞中逃出来。

　　但是，这个世界上不存在违反平均类光能量条件的物质。因此，在这个意义上，虫洞就算能因为量子效应瞬间产生，也往往会自毁。正因为虫洞天生就喜欢自我崩塌，所以到了后来，索恩也感觉到虫洞很难实现，甚至不可能存在，于是他说“虫洞需要有高级文明有意识的去创造和维持。”随后，索恩就去研究引力波了。