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星际穿越的背后：黑洞虫洞与时间流精选

已有 12953 次阅读 2014-11-19 01:44 |个人分类:物理|系统分类:科普集锦

听说正上演一部电影《星际穿越》，又听说是根据Kip Thorne的虫洞理论编的，还听说书店请出版社重印老K的那本《黑洞与时间弯曲》，那么我也借这个机会说说老K在那本书里编的故事。老K在书中专门写了一章《虫洞与时间机器》（wormholes and time mechines），并特别注明那是他个人的观点（personal viewpoint）。我没有译文的电子版，不能偷懒，只好边看边写了。

30年前，老K刚上完1984-85学年的最后一堂课，接到卡尔萨根（他的名气在科幻界很大）的电话，向他请教引力问题——他那会儿正写《接触》，人类与外星人的接触。卡尔在书中说，主人公被扔进地球旁的一个黑洞，通过超空间用1个小时就到了26光年外的织女星。这当然是不可能的——It is impossible to travel through hyperspace from a black hole's core to another part of our Universe.因为洞里的一切东西都会被真空涨落的能量毁灭（这是可以计算的）。不过，这令老K想到，也许能用虫洞来实现卡尔的幻想——老K也就成为第一个认真研究虫洞和时间机器的物理学家。

所谓虫洞，是超空间里的一个捷径；当然，也可以说它是时空错乱的一个时空区域。

虫洞的两个端口，在三维空间就像黑洞的球状视界（这儿不能细说“视界”了）。不过，视界是单向的（连光线也跑不出来），而虫洞口是双向的——织女星的光线可以穿过它暖洋洋地照在我们脸上。

其实，虫洞作为爱因斯坦引力场方程的解，早在1916年就出现了；50年代惠勒等前辈也做过大量计算。不过，那些洞都不能用来玩儿穿越，因为它们倏来忽去，你还没来得及进去，它就消失了。

50年代发现的虫洞解：两个黑洞奇点消失融合，形成虫洞，然后分离，回归奇点。

老K根据广义相对论的计算发现，为了让虫洞稳定开放，需要装入一种奇异（exotic）物质。那种物质能撑开虫洞，也能分散（defocusing）光线。最奇异的是，从穿过虫洞的光线来看（或者说，在以近光速穿过虫洞的旅行者看来），那种物质的能量密度是负的（the exotic material threading the wormhole must have a negative average energy density, as seen by a light beam traveling through it）。（顺便说一句，在正能量条件的假定下，霍金证明了时空奇点的必然性；那么，要消除黑洞的时空奇点，自然需要负能量来帮忙了。）当然，能量密度是相对的，不是绝对的，所以对静止在虫洞的观测者来说，奇异物质的能量不一定是负的。

卡尔接受了老K的建议，写进了他那部著名的小说。老K也开始认真考虑奇异物质状态下的引力场方程。他和学生Mike Morris写了篇文章给American Journal of Physics；文章尚未发表，M拿它去申请博士后。师兄Don Page（也是霍老的学生）看了，告诉他，“根据霍老师书中的命题9.2.8，自然就得到那个结果了。”（我在翻译这段话时，好像加了一个注释，把那个命题写出来了，见霍老1973年的《时空的大尺度结构》，那书也有中译本。在这儿重复这个插曲，是为了说明数学的“先进性”。老K遗憾没学过整体微分几何，不熟悉霍老的那本书。他的结论只是针对球对称洞计算的，而霍老的方法可以导出一切形式、甚至随机变形的虫洞，都需要奇异物质。）

虽然真空涨落能瞬间产生负能物质（然后瞬间地与正能物质湮灭），但物理学定律是否真的允许负能物质的存在，我们还不知道。老K只能玩儿思想实验：无比先进的文明能做出可以时间旅行的虫洞么？当然，这个文明的活儿也同时意味着另一个自然的问题：物理学允许宇宙发生那样的拓扑改变么？现在能想到两种生成虫洞的方法：一种是用普朗克尺度的量子泡沫，一种是通过时空的拓扑变换。

量子泡沫里有很多奇异物质

生成虫洞的拓扑方法

1966年，惠勒的学生Robert Geroch发现，拓扑方法会扭曲时间，使时间方向错乱——既能向前，也能向后。换句话说，经典虫洞就是一台G. Wells小说里的那种时间机器，能把旅客带回过去。老K想象他家后院有个小虫洞，他几乎不费时间就能钻到洞的那头——也许是织女的闺房。可在家里的人看来，他也许要一个小时才能钻出去。于是，洞内外的时间流是不同的，而这不同的时间流，为物理学也为科幻小说留下了无限的想象空间……【不写了，感兴趣的同学可以找老K的书来看看】