汪詰｜黑洞史話 13：神奇的蟲洞
在《星際穿越》中，那個懸浮在土星旁的蟲洞，宛如一顆鑲嵌在宇宙中的神祕水晶球，它既是人類穿越深空的希望，也是點燃我們科學好奇心的火花。那麼，這樣神奇的“星際任意門”，真的有可能存在嗎？

電影中的宇宙奇觀

如果你看過電影《星際穿越》的話，一定不會忘記當永恆號飛近土星時看到的景象。

《星際穿越》中飛躍土星電影截圖

在土星那壯麗的光環下方，是一個無聲旋轉的、由億萬冰晶組成的瑰麗光帶，它們反射着遙遠太陽的微光，像一條鋪在黑色天鵝絨上的鑽石星河。而就在這條星河的盡頭，懸浮着一個絕對不應該存在於此的東西。

它不是一顆行星，也不是一顆衛星。它是一個完美的球體，表面光滑如鏡，卻又不像鏡子那樣反射着周圍的環境。恰恰相反，它似乎吞噬了光線，又從內部吐出了一片完全陌生的、扭曲的星空。它就那樣靜靜地掛在那裏，像一顆凝固在時空中的巨大水滴，又像上帝遺落在太陽系裏的一隻玻璃眼球。

在永恆號飛船的舷窗外，是人類第一次親眼目睹的、只存在於最瘋狂的物理學猜想中的宇宙奇蹟——一個蟲洞。一個由神祕的“他們”放置在太陽系門口的、連接着兩個遙遠時空的宇宙“任意門”。

正是通過這個時空捷徑，人類才得以跨越 100 億光年的距離，抵達黑洞“卡岡圖雅”所在的星系，開啓了那場尋找新家園的悲壯遠征。

這個設定，無疑是整部電影能夠成立的基石。但它也立刻在所有觀衆心中，畫上了一個巨大的問號：這樣一個如同“星際高速公路”般的時空捷徑，真的有可能存在嗎？它僅僅是科幻作家的奇思妙想，還是在嚴肅的科學理論中有跡可循呢？

“愛因斯坦-羅森橋”與蟲洞

要回答這個問題，我們需要將時鐘，撥回到 1935 年。那一年，愛因斯坦與他的助手納森·羅森（Nathan Rosen）正在研究廣義相對論方程的一個奇特解。他們在純粹的數學計算中發現，一個最簡單的史瓦西黑洞的時空結構，似乎可以被無限地延伸，最終與另一個“相同”的時空相連接。

這個連接兩個時空的數學“管道”，就是最初的蟲洞模型，它在物理學上，有一個更正式的名字——“愛因斯坦-羅森橋”。爲了敘述方便，後面我把這個簡稱爲“愛羅橋”。

在這裏，我想先澄清一個常見的誤解：蟲洞是兩個黑洞相連嗎？

很多科普和科幻作品，都喜歡將蟲洞描繪成“兩個黑洞的連接”，或者“一頭是黑洞，另一頭是白洞”的隧道。但從現代物理學的角度來看，這種說法是不準確的。

“愛羅橋”這個最初的模型，確實是從史瓦西黑洞的數學解中“長”出來的，但它更像是一個理論上的“孿生兄弟”，而非黑洞本身的一部分。更重要的是，我們後來發現，愛羅橋是一個“不可穿越”的管道，它不可能成爲後來惠勒所命名的“蟲洞”。

而基普·索恩等人後來深入研究的“可穿越蟲洞”，則是一個與黑洞完全不同的時空結構。一個可穿越的蟲洞，沒有事件視界，也沒有奇點。宇航員可以自由地雙向通行，而不會像掉進黑洞那樣，面臨有去無回的單程命運和被奇點摧毀的結局。所以，請記住，蟲洞就是蟲洞，它不是黑洞，也不是黑洞和黑洞、黑洞和白洞的組合，它們是兩種本質完全不同的時空幾何體。

愛羅橋在剛被提出來的時候，並沒有引起太大的轟動，愛因斯坦和羅森本人也沒有太當回事。它更像是一個數學上的“副產品”，一個理論上的可能性，沒有人認爲它在真實的宇宙中，有任何實際的意義。爲什麼？因爲這個“愛羅橋”，實在是太“脆弱”了。它的時空結構本身就是極其不穩定的。

如果要打個比方的話，它就像在陽光下，用一個肥皂泡吹出來的隧道。陽光的熱量必然會讓肥皂泡很快崩潰，在“愛羅橋”構成的時空中，引力就像是陽光。你剛看到它形成，它就在下一個瞬間，因爲自身的引力，而猛然向內坍縮了。它的“喉嚨”——也就是連接兩個時空的最窄處——關閉的速度，甚至比光速還要快。

這意味着，沒有任何東西，哪怕是光，能夠從這個“橋”的一端，順利地跑到另一端。在你剛剛踏上橋頭的瞬間，整座橋就已經在你面前崩塌了。在長達半個世紀的時間裏，它都只是靜靜地躺在物理學家的方程裏，被認爲是一個有趣的、但卻毫無用處的數學遊戲。是的，愛因斯坦本人也是這麼認爲。

愛因斯坦-羅森橋在 1957 年被物理學界的“起名大師”約翰·惠勒稱爲“蟲洞”，這個概念後來變得越來越流行，與這個有趣又形象的名字關係很大。

惠勒在一次演講中說：“想象一下，我們的宇宙，就是一隻蘋果的表面。一隻螞蟻，想要從蘋果的頂端，爬到底部。在它看來，這是一段非常遙遠、曲折的漫漫長路。這，就相當於我們在三維空間中，進行常規的星際旅行。但是，如果有一條蛀蟲，從蘋果的內部，直接蛀出了一條通道，連接了蘋果的頂端和底部呢？對這隻螞蟻來說，它就有了一個選擇。它可以不再辛苦地繞着蘋果皮爬行，而是直接鑽進這條由蛀蟲打通的隧道——一條‘蟲洞’（Wormhole）——從而以一個極短的距離，就抵達了目的地。”

約翰·惠勒與蟲洞

這個比喻是如此的貼切和巧妙，以至於“蟲洞”這個名字，很快就取代了拗口的“愛因斯坦-羅森橋”，成爲了這個概念最深入人心的代名詞。它完美地詮釋了蟲洞的本質：它不是在空間中進行超光速旅行，而是通過一條更高維度的捷徑，來縮短空間本身的距離。

不過，從它的提出到真正受到理論物理學家的重視，那又要過去將近 50 年，直到另一位科學巨匠的出現，以及一個來自科幻世界的“請求”，才徹底改變了這一切。

讓“蟲洞”可穿越

這位巨匠，就是我們已經非常熟悉的，基普·索恩。而那個“請求”，則來自於他的摯友，著名的天文學家、科普作家，也是引領我走向科普道路的卡爾·薩根（Carl Sagan）先生。

卡爾·薩根（Carl Sagan）

事情是這樣的，上世紀 80 年代，薩根正在創作他的科幻小說《接觸》（Contact），也就是後來被改編成同名經典電影的《超時空接觸》。關於這個故事，我在我的付費專輯《科幻世界漫遊指南》中詳細講過，大家有興趣可以去聽。在這個故事裏，女主角需要一種科學上“說得過去”的方式，進行一次快速的星際旅行。作爲一個嚴謹的科學家，薩根不希望在他的小說裏，出現像“曲速引擎”那樣完全架空的超光速飛行概念。於是，他找到了當時已經是引力物理學界權威的基普·索恩，向他請教：“基普，我想讓我的主角掉進一個黑洞，然後從另一個地方出來，這在物理上成立嗎？”

索恩立刻就否定了這個想法。他告訴薩根，掉進一個真實的黑洞，唯一的結局，就是在奇點上被摧毀，那是一條有去無回的單程路，沒有任何我們已知的物理定律可以改變這一切，這條路肯定行不通。

但是，薩根的這個問題，卻像一顆石子，投入了索恩平靜的思考之湖。他開始重新審視那個被遺忘了半個世紀的“愛因斯坦-羅森橋”。一個問題，開始在他的腦海中盤旋：有沒有一種可能，讓這個“不可穿越”的蟲洞，變得“可以穿越”呢？

這個問題，開啓了理論物理學的一個全新研究方向。索恩和他的學生們，開始用最嚴謹的數學工具，去計算維持一個蟲洞開啓所需要的物理條件。很快，他們就得出了一個驚人的結論：

要想讓蟲洞的“喉嚨”保持張開，對抗住時空自身的引力坍縮，你就必須在它的喉嚨裏，塞滿一種擁有負能量密度的、能夠產生排斥引力的奇特物質。這種只存在於理論中的、擁有反引力特性的物質，被物理學家們稱爲“奇異物質（Exotic Matter）”。

這裏我想解釋一下基普·索恩設想的奇異物質和魔幻小說中出現的各種天馬行空的寶物是不同的，奇異物質是在現有的物理理論中允許存在的物質，而魔幻小說中的寶物往往沒有任何物理基礎。

那麼，爲什麼說奇異物質是有可能存在的呢？讓我們深入理解一下這背後的物理學。根據廣義相對論，我們熟悉的普通物質（比如恆星、行星，甚至我們自己），它們的能量密度都是正的，它們的作用是讓時空像蹦牀一樣向下彎曲，從而產生我們所體驗到的“引力”。而奇異物質則擁有負能量，關於負能量的概念我在《時空的華爾茲》那期節目中已經詳細說過，這裏不再贅述。在相對論中，能量和質量是一體兩面，所以負能量對應的就是負質量。在廣義相對論中，負質量會讓時空像被一隻無形的手從下面托起一樣，產生向上的彎曲。

所以，當一個蟲洞的喉嚨因爲自身的引力想要向內坍縮時，如果你在裏面填滿了這種“奇異物質”，它產生的“反引力”就會像一個強大的千斤頂一樣，向外推開時空的牆壁，強行將這個時空隧道撐開，讓它變成一個穩定、開放的通道。

你不要以爲負能量只存在於物理學家們的想象中，實際上，這是一種被真實觀察到的現象。比如著名的“卡西米爾效應”，物理學家們通過實驗證實，真空中確實可以存在短暫的、局部的負能量區域。

那麼，一個足夠先進的文明，要如何製造蟲洞呢？

基普·索恩和他的同事們，真的從純理論的角度，構想過一套匪夷所思的“施工方案”。這個方案聽起來，比任何科幻小說都要瘋狂。

第一步：深入量子泡沫。根據現代物理學的觀點，在普朗克尺度（大約10-35米）這個最微觀的層面上，時空不再是平滑的，而是一片混亂的、不斷沸騰的“量子泡沫”。在這裏，微型蟲洞和“嬰兒宇宙”可能在不斷地自發產生和湮滅。一個超級文明，首先需要有能力深入到這個層面，像大海撈針一樣，“捕獲”一個剛剛誕生的微型蟲洞。

第二步：暴力撕開時空。捕獲到這個比原子核還要小無數倍的蟲洞後，他們需要用某種方法，瞬間向其內部注入難以想象的巨大能量，將它從普朗克尺度，暴力地“吹”到一個宏觀的、可供飛船穿越的尺寸。

第三步：“奇異物質”加固。在蟲洞被吹開的瞬間，它會立刻想要坍縮。所以，這個超級文明必須在同一時間，將天文數量的“奇異物質”，精準地“灌注”到蟲洞的喉嚨裏，像建築工人用鋼筋混凝土加固隧道一樣，將這個時空隧道永久地撐開。

完成了這三步，一座連接兩個遙遠時空的“星際高速公路”，纔算初步建成。

那麼，在我們的宇宙中，會存在天然的蟲洞嗎？

換句話說，有沒有可能，在宇宙大爆炸的洪荒年代，就已經天然地形成了一些宏觀的、可穿越的蟲洞呢？

這是一個讓物理學家們着迷的問題。一些理論認爲，在宇宙誕生最初的、被稱爲“暴脹”的那個瞬間，時空以遠超光速的速度急劇膨脹。在這個過程中，那些在量子泡沫中隨機產生的微型蟲洞，完全有可能被暴脹過程，一同拉伸到了宏觀的尺寸。

但是，即便如此，一個更大的問題依然存在：誰來爲這些天然的蟲洞，提供“奇異物質”來維持它們的穩定呢？

根據我們目前的觀測，宇宙中似乎並不存在天然的、大量的奇異物質。所以，即使宇宙大爆炸真的留下了一些宏觀的蟲洞，它們大概率也和“愛因斯坦-羅森橋”一樣，在形成的瞬間，就已經坍縮消失了。

因此，今天的大多數物理學家都傾向於認爲，在我們的宇宙中，天然存在穩定、宏觀、可穿越蟲洞的可能性，是微乎其微的。如果宇宙中真的存在這樣的“任意門”，那它幾乎不可能是大自然的鬼斧神工，而更可能是一個比我們先進無數倍的超級文明，刻意建造的“人造物”。

這，也恰恰是索恩給電影《星際穿越》做的一個深謀遠慮的設定。那個出現在土星旁的蟲洞，並非天然形成，而是由一個生活在更高維度的、我們無法理解的未來人類文明（也就是電影中神祕的“他們”），爲了拯救過去的自己，而特意放置在那裏的。

科學與電影的完美結合

所以，當諾蘭邀請索恩，擔任《星際穿越》的科學顧問時，索恩便將他自己這套關於“可穿越蟲洞”的、最前沿的物理學構想，毫無保留地貢獻給了這部電影。

電影中那個蟲洞的視覺效果，就完美地體現了索恩的科學思想。

首先，它爲什麼是一個“球”，而不是一個“洞”？因爲蟲洞本身，是一個存在於更高維度空間（物理學家稱之爲“膜宇宙”）中的三維隧道。而我們，是生活在三維空間中的生物。我們無法直接看到那個四維的隧道本身，我們能看到的，僅僅是那個隧道在我們這個三維宇宙中的“入口”。而一個更高維度的隧道入口，在我們這個三維空間中的投影，就是一個二維的球面。所以，電影中的宇航員看到的，不是一個需要鑽進去的“洞口”，而是一個需要飛進去的“水晶球”。

其次，當你看着那個球時，你爲什麼能看到另一邊的星系？這就要用到我們之前講過的引力透鏡效應了。蟲洞的入口，同樣是一個引力極強的區域，它會把來自另一端宇宙的光線，極度地彎曲和扭曲。所以，你看到的，不是一個清晰的窗口，而是一個像“哈哈鏡”一樣，將對面整個星系的景象，都扭曲着投射在球面上的光怪陸離的影像。