理論物理學教授基普·索恩剛剛結束了壹個學年，正懶洋洋地躺在他的辦公椅上。
就在孩子休息的時候，電話突然響了。打電話的是他的老朋友，壹位著名的行星天文學家。
卡爾·薩根.薩根當時正在寫壹部科幻小說，講述人類與外星生命的第壹次接觸。
寫作已經接近尾聲，但作為科學家的薩根想要他的作品——哪怕是科幻小說。
——盡可能不與已知的物理理論相矛盾。薩根在這部小說中安排女主角穿越。
穿過黑洞，穿越了26光年的距離，到達了遙遠的織女星。這是全部
這部小說中最令人震驚的情節，但從物理角度來看，也是最可疑的細節。什麽
薩根打電話給從事引力理論研究的索恩，為這個細節尋求技術建議。壹點後
經過思考和粗略計算，索恩告訴薩根，黑洞不能作為星際旅行的工具。他建造了它。
關於薩根對蟲洞概念的使用，所以才有了隨後出版並拍成電影的書。
科幻小說？聯系？。
薩根的小說成功出版，但索恩對蟲洞的思考並未就此結束。三年
後來，索恩和他的學生邁克·莫裏斯在《美國物理學雜誌》上發表了論文。
題為“時空中的蟲洞及其在星際旅行中的應用”的論文[1]，從而創造了壹對。
所謂的“可穿越蟲洞”[註1]是研究的先例。如同
教學刊物《美國物理學雜誌》因此有幸處於壹個全新的研究領域。
它給創作留下了難忘的印記。
莫裏斯和索恩的文章在蟲洞的研究中具有根本性的意義，但是蟲洞
這個術語不是他們兩人發明的。早在1957年C. W .米斯納和J. A .惠勒。
這個術語是在壹篇文章[2]中提出的。那篇文章討論的主題是所謂的“幾何動力學”
幾何”——壹種試圖讓物理學幾何化的理論。米斯納和惠勒公司
“幾何動力學”後來並沒有走得很遠，但他們在文章中提出了蟲洞。
然而，三十壹年後，這個概念已經完全發展起來，成為壹部以星際旅行為主題的科幻小說。
書中的標準詞匯可以用“有心栽花不開，無心插柳成蔭”來形容。
2.什麽是蟲洞？
那麽蟲洞到底是什麽？形象地說，蟲洞是壹種“連接兩個空間區域”
手柄狀結構。[圖1](插圖見文末原網站)是壹個非常流行的蟲洞。
圖中藍色輪廓代表的倒U型面代表我們生活的空間，連接兩個。
兩個空間區域A和B的黃色線段代表了這種“把手”結構，即蟲洞結構。
。【圖1】是壹個抽象圖，黃色線段實際上代表的是具有壹定線性的結構和類。
如下圖3所示。不難看出，由於這個“把手”結構的存在，它存在於A和b之間。
有兩種不同類型的路徑:壹種用綠色曲線表示，代表普通空間中的路徑；另壹種
用黃色線段表示，代表蟲洞的存在形成的新路徑。從[圖1]可以看出
從a到b，沿著黃色路徑顯然比沿著綠色路徑要近得多。通常科幻小說(包括前述的
卡爾·薩根的小說《接觸》中描述的星際旅行通過蟲洞是指沿
圖中黃色的小路。
圖1所示的蟲洞被稱為“宇宙內蟲洞”。
)，它連接了同壹個宇宙中兩個不同的空間區域。另外，理論上還有壹類。
所謂的“宇宙間蟲洞”，這種蟲洞連接
是兩個不同的世界。我們討論的星際旅行中的蟲洞通常屬於前壹類。但是
因為這兩種蟲洞的區別只是空間的大尺度拓撲結構，所以討論蟲洞這本書非常困難。
從結構上來說屬於什麽樣的身體並不重要。
在進壹步討論蟲洞之前，有必要澄清壹個在文獻中或多或少存在的概念性誤解。
(或者即使作者心中沒有誤解，也特別容易引起讀者的誤解)，那麽
僅僅因為蠕蟲的存在並不意味著它們在空間上是捷徑，也就是說
說起來並不代表它們可以作為有意義的星際旅行手段。仔細看【圖1】，不難發現蟲洞。
A和B之間的短距離連接完全是由於空間彎曲成倒U形。從廣義上說
根據相對論，空間(具體是時空)的曲率是由物質的分布決定的，所以用[圖1]表示。
除了蟲洞本身，蟲洞還與遠離蟲洞的背景空間的物質分布有關。
做了非常苛刻的假設。如果沒有這個相當人工的假設，蟲洞的結構更有可能是經典的。
如[圖2]所示。在[圖2]中，蟲洞形成的連接A B的黃色路徑應該是
它比普通空間中的路徑(綠色路徑)要長。顯然，使用[圖2]所示的蟲洞來做這件事。
在A和B之間進行星際旅行是不明智的。所以蟲洞在概念上並不等同於星際旅行。
這條線的捷徑。
三。卡爾·薩根式的問題
盡管如此，蟲洞仍然是物理學家、天文學家和星際旅行者的天堂。
壹個非常吸引人的概念。前面提到的行星天文學家卡爾·薩根對星際旅行有很多疑問
有壹個獨特的提法，就是來自壹個無限先進的文明。
)來看看星際旅行的可行性。對於蟲洞，壹個“卡爾·薩根”問題
它可以表示為:
無限發達的文明有沒有可能利用蟲洞作為星際旅行的工具？
薩根所謂的“無限發展的文明”是指在物理規律允許下擁有壹切能力。
智慧生命。對於這個無限發展的文明來說，[圖1]和[圖2]所示的蟲洞是不存在的。
實質性的區別，只要蟲洞存在，即使它的結構如圖[圖2]所示，它們也能通過。
將背景空間的曲率改為[圖1]的形式。所以在這種“卡爾·薩根風格”中
問題中背景空間的具體結構並不重要。
要把蟲洞作為星際旅行的工具，當然妳得先有蟲洞。宇宙中有什麽東西嗎？
有蟲洞？這歸根結底是壹個觀察的問題。到目前為止，在天文學上還沒有觀測到。
沒有直接或間接的證據證明蟲洞的存在，所以在現階段，我們對蟲洞的討論只
限於理論範疇。自莫裏斯和索恩以來，物理學家在蟲洞的研究中取得了新的成就。
獲得了壹些重要的結果。這些結果主要基於經典的引力和時空理論——廣義相對論。
在框架內。經過近壹個世紀的研究，物理學家已經了解了廣義相對論的數學結構。
非常徹底的解決方案。特別是近三十年來，隨著現代微分幾何的應用，它們中的許多是非常普遍的。
的命題相繼被證明，其中壹些命題對蟲洞的研究具有重要意義。
為了獲得星際旅行的蟲洞，壹個無限發達的文明可以做兩方面的努力。
：
如果宇宙中沒有蟲洞，他們可以嘗試“制造”蟲洞。
如果宇宙中存在蟲洞，他們可以嘗試“改造”蟲洞，使之適合星際旅行。
線的需要。
4.蟲洞“創世紀”——惱人的因果定律
所謂“創造”蟲洞，是指在沒有蟲洞的原始空間區域創造蟲洞。
。我們已經知道蟲洞是空間中的壹種“把手”結構，它具有這種拓撲結構
“把手”結構的空間被稱為復雜連通性，但沒有這樣的“把手”結構(即沒有蟲洞)
)是簡單連接的。所以從拓撲學的角度來說，“創造”蟲洞就是讓它變空。
它們之間的拓撲結構發生了變化。
那麽有沒有可能改變空間的拓撲結構呢？物理學家對此進行了壹系列研究。壹九
1992年，著名理論物理學家S. W .霍金證明了這樣壹個定理[3]:
【定理】在廣義相對論中，如果空間的拓撲結構在有界區域內發生變化，那麽
發生這種變化的時空範圍內有壹條封閉的類時曲線。
不熟悉相對論的朋友可能不知道什麽是類時曲線。在相對論中，類時曲線在物理上是可能的。
以實現時空運動的軌跡。運動的空間軌跡閉合是很常見的，比如鐘擺。
行星的運動及其空間軌跡在壹個適當的參考系中是(近似)封閉的。但是壹件事
理論上，運動在時空中的軌跡閉合(即所謂“閉合類時曲線”的形成)是
是很嚴肅的事情，因為時空中的軌跡不僅記錄了運動經過的各種空間位置，還記得。
記錄了經過各個空間位置的瞬間。因此，時空軌跡的閉合不僅意味著在空間上回到原點，還意味著
並且回到原來的時間點！換句話說，時間已經失去了實際意義上的單向性，或者說是建構時間。
機器是可能的！
我們都知道自然界萬物的進化顯然是不可逆的，最直接的體驗就是我們的生活。
身體，從出生到成長到衰老再到死亡，每壹步都是那麽不可抗拒，不可逆轉。時間列表
取向是物理學乃至整個科學界最基本的觀察事實之壹。如果時間不是單向的，那麽事物
理性世界中的因果關系將不復存在，因為壹個逆時間旅行的旅行者可以“結果”
發生後再回到過去，會破壞結果的“因”【註2】。
因此，霍金證明的定理可以通俗地描述為:
【定理(通俗版)】在廣義相對論中，“創造”蟲洞意味著放棄因果律。
如果因果律被拋棄，不僅大部分物理學會被重寫，甚至科學本身的存在也會受到影響。
挑戰，因為科學本質上源於人類對自然現象溯源的努力，是因果關系的存在。
讓這種努力成為可能。所以根據霍金證明的上述定理，有足夠的證據表。
在因果律被打破之前，我們必須認為改變空間的拓撲結構(也就是“創造”蟲洞)
)是廣義相對論禁止的。
廣義相對論是現代物理學中最美的理論之壹，也是引力理論和現代時空觀的基石。
但這只是壹個經典理論。物理學家普遍認為，引力和時空的真實描述就像宇宙。
和其他基本相互作用的描述壹樣，它必須是量子化的。廣義相對論的量子化叫做量。
量子引力理論。
那麽在量子引力理論中是什麽情況呢？早在量子論出現的時候，物理學家們就已經發現了其中的許多
經典理論禁止的過程在量子理論中會變得可能，比如電子可以出現在經典理論中。
在允許的範圍內。空間拓撲的變化會成為這個“幸運”量子過程中的壹員嗎？
？遺憾的是，這個問題目前還沒有明確的答案。引力的量子化是當今理論物理的面貌。
其中最困難的問題，不僅還沒有建立完整的理論，而且還有壹些基本的出發點。
有爭議。在量子引力理論的早期研究中，人們曾經認為時空就像海面，在大尺度上
程度上平滑如鏡，隨著尺度縮小逐漸呈現起伏。規模縮小到壹定程度，就可以了。
看到洶湧的海浪和飛舞的氣泡。這種最小距離尺度被稱為普朗克尺度。在普朗克
在尺度上，時空的結構會有劇烈的量子漲落，不僅空間拓撲結構的變化是可能的，而且
至於所謂的時空泡沫。這種關於量子時空的直覺想象
量子引力理論的具體方案提出後，每個方案都遇到了不同程度的困難。初步得分
分析表明，量子引力理論並沒有完全禁止空間拓撲結構的改變，但它產生了蟲洞。
即使在量子引力理論中，其引起的空間拓撲結構的變化也極有可能是被禁止的[4][5]。
因此，我們可以有所保留地認為，就人類已知的物理定律而言，“創造”蟲洞。
有可能連無限發達的文明都做不到。
5.蟲洞工程——負能量之謎
就算真的無法“創造”蟲洞，壹個無限發達的文明還是可以改造的。
宇宙中蟲洞(如果有的話)的存在使得它可以穿越。這
它不改變空間的拓撲結構，所以不違反任何禁止空間拓撲結構改變的物理定理。
那麽改造和維持壹個可穿越的蟲洞需要什麽條件呢？
上面提到的莫裏斯和索恩的文章對這個問題做了定量分析。他們研究了
維持穩定的球對稱蟲洞所需的物質分布。所謂球對稱蟲洞是指
它是蟲洞的入口和出口，也就是俗稱的“口”(見[圖3])，球對稱。
。莫裏斯和索恩發現，為了維持這樣壹個蟲洞，在蟲洞中形成了交流
道最窄的地方，即所謂的“咽喉”(見[圖3])，必然有負能量物質。
的存在！盡管莫裏斯和索恩的分析作出了簡化的假設，即蟲洞是球對稱的，
然而，利用廣義相對論和現代微分幾何理論的進壹步研究表明，它們獲得了“維度”
蟲洞需要負能量物質的結論普遍成立。
所以，想要成為蟲洞工程師，首先要有負能量物質。那麽什麽是負能量物質呢？
舉個簡單的例子，學過牛頓定律的人都知道，如果妳用力推壹個箱子，它就會
向推力方向運動(假設阻力可以忽略)，推力等於運動的加速度和盒子的質量。
的產物。這是壹個熟悉的結果[註4]。但是如果妳用蟲洞工程師代替普通盒子，
負能量盒，情況就很不壹樣了，因為負能量盒的質量小於零，那麽加速度和
推力的方向變得相反。也就是說，妳用力推壹個負能量盒子，而不是推開它。
盒子反而會滑向妳！顯然，我們誰也沒見過這麽奇怪的盒子。到目前為止，人類是
宏觀世界中發現的所有物質都具有正能量。物質越多，能量越高。本質上
只有真空的能量為零，負能量意味著物質比什麽都沒有的真空“少”。
這幾乎是經典物理學中的壹個矛盾。
但是量子論的發展徹底改變了經典物理學中的真空概念。在量子理論中，真空不會
它只有極其復雜的結構，而且是高度動態的，每時每刻都有大量虛粒子對產生和湮滅。
熄滅。負能量出現在這個全新的真空場景中，至少在概念上不是不可想象的。物質
事實上，早在1948年，荷蘭物理學家卡西米爾就發現真空中兩塊平行的導體板之間會有間隙。
當前的負能量密度預示著這樣壹對導體板之間的弱相互作用。
後來，人們通過實驗證實了這種被稱為卡西米爾效應的相互作用的存在，它間接地
為負能量的存在提供了證據。在20世紀70年代，物理學家如S. W .霍金正在研究。
在研究黑洞的輻射效應時，發現在黑洞的視界附近也會出現負能量。
數量密度。20世紀80年代，物理學家發現了所謂的壓縮真空。
)，也就是量子態分布異常的真空，在這個真空的某些區域也會有負的能量密度。
所有這些令人興奮的研究結果表明，宇宙中似乎確實存在負能量物質。可惜上了。
這些已知的負能量物質都是量子效應產生的，所以數值很弱。和卡西米爾壹起
效應，例如，質量密度對應的負能量約為:
能量密度=-10-44千克每立方米/(板間距米)4
這個結果表明，如果板之間的距離是壹米，則負能量密度僅為10-44千克每立方米。
平方米相當於每十億立方米體積中相當於壹個基本粒子質量的負能量物質。
！
其他量子效應產生的負能量密度也差不多，只是把板間距換成那些參與效應的。
空間尺度足夠。因為能量密度與空間尺度的四次方成反比，所以由下式確定
量子效應產生的負能量可以忽略不計。
另壹方面，物理學家也對維持壹個可穿越的蟲洞所需的負能量物質的數量做了壹些研究。
這壹估計的結果表明:
負能量的數量(以地球的質量計)=-(以厘米為單位的蟲洞半徑)
也就是說，僅僅維持壹個半徑壹厘米的蟲洞，就需要相當於整個地球的質量
負能量要緊！而且蟲洞半徑越大，需要的負能量物質越多。為了維持壹個
半徑壹公裏的蟲洞需要的負能量物質數量相當於整個太陽系的質量！
這無疑是所有蟲洞工程師頭疼的問題。因為壹方面，目前已知的所有產品
負能量物質的效應都是量子效應，產生的負能量物質極其均勻的被微尺度測量。
它太小了。另壹方面，為了維持蟲洞在任何宏觀意義上所需的負能量物質。
這個數字是個天文數字！
不及物動詞穿越蟲洞的挑戰——張力
雖然數字看起來不那麽樂觀，但別忘了我們正在考慮壹個“卡爾·薩根”問題。
標題。我們的想象力已經無數次低估了人類科技的發展速度，所以讓我們暫時
並對來自無限發達文明的蟲洞工程師的技術水平做出樂觀估計，假設
他們真的通過使用壹些遠不為我們所知的技術手段，獲得了相當於整個太陽系質量的負能量。
材料，並成功建立了半徑壹公裏的蟲洞。
那麽他們能利用這個蟲洞進行星際旅行嗎？
乍壹看，半徑壹公裏的蟲洞應該滿足星際旅行的要求，因為是半公裏。
幾何尺度上的直徑足以讓壹艘相當大的星際飛船通過。看過科幻電影的人可能會對明星感興趣。
國際飛船穿越蟲洞的特技處理給我留下了深刻的印象。從屏幕上看，飛船被包圍了
由遙遠天空的星光和輻射組成的無限絢爛的視錯覺，仿佛飛船正在適時經過。
空中狹窄的通道([圖4])。
但實際情況遠比人們想象的復雜。事實上，為了讓太空船和它的船員安全穿越蟲洞，
幾何半徑的大小並不是星際旅行者考慮的主要問題。根據廣義相對論，物質是
通過像蟲洞這樣的空間結構高度彎曲的區域，尤其是負能量密集的區域附近，
壹個非常嚴重的問題將是張力，即單位面積上施加在物質上的力。因為不管
飛船或飛船乘員所能承受的張力是有限的，所以蟲洞產生的張力的大小。
這對星際旅行至關重要。以球對稱蟲洞為例，計算表明，在星際飛船中
蟲洞中的負能量物質在通過蟲洞“咽喉”時對飛船和乘員造成的張力。
力是:
張力=(物質所能承受的最大張力)/(以光年為單位的蟲洞半徑)2
這裏的“物質所能承受的最大張力”是指物質中壹個原子結構所能承受的最大張力。
超過這個極限，連構成物質的原子都會被破壞，更不用說宇宙飛船或宇宙飛船等宏觀物質了。
成員。這是任何壹級文明都難以突破的物理極限。從這個計算結果中，我們可以看出
物質通過蟲洞的張力與蟲洞半徑的平方成反比。
半徑越大，通過它的物質受到的張力越小，越適合星際旅行。
陶。特別是半徑不到壹光年的蟲洞，比物質更有張力。
它能承受張力的理論極限，所以不能作為星際旅行的通道。
雖然這些計算都是粗略的估計，但是具體的數值將取決於蟲洞的具體結構。
不壹樣。但是在數量級的意義上，這些計算足以讓我們看到，維持壹個星際旅行的空間。
蟲洞面臨的巨大“工程”困難:為了讓星艦安全通過，蟲洞
半徑至少有壹光年遠。前面提到維護壹個半徑壹公裏的蟲洞研究所。
需要的負能量物質的量大約等於整個太陽系的質量，壹光年大約是10萬億公裏。
因此，維持壹個半徑為壹光年的蟲洞所需的負能量物質的量大約與太陽相同。
十萬億倍的質量。「十萬億倍太陽系質量」是什麽概念？我們知道所有的銀子。
河外星系所有發光恒星的總質量約為太陽系的1000億倍，因此維持著壹個星際空間。
旅行的最小蟲洞需要的負能量物質大約相當於銀河系所有的頭發。
輕恒星總質量的壹百倍！如果考慮到生物體所能承受的張力遠小於理論極限，那就是對的。
蟲洞半徑的要求會更高，需要的負能量物質數量會遠大於上述估算值。制造
數量如此驚人的物質，別說這些物質是迄今為止任何宏觀尺度上都沒有發現的負能量。
物質，即使是普通的物質，也幾乎是壹種幻想。
目前尚不清楚微觀尺度上存在的負能量物質是否有可能積累成宏觀量。如果這
這種積累是可能的，所以把壹個現有的蟲洞改造成適合星際旅行的蟲洞。
純理論上是可能的。但是轉化和維持這樣壹個蟲洞所需的負能量物質的數量
即使從宇宙尺度來看，數量也是極其驚人的。這個數量對我們宇宙中的任何人都非常重要。
我們的文明——即使是無限發達的文明——在工程上也是壹個幾乎不可逾越的困難。