科學史 蟲洞是否有實現的可能？

1915年12月，第一次世界大戰的東線戰場天寒地凍 德軍炮兵軍官卡爾· 史瓦西趴在戰壕裏，幹了一件跟戰爭毫無關係的事：解方程 一個月前，愛因斯坦在普魯士科學院拋出了 廣義相對論的場方程 這組方程有16個變量非線性二階 難道愛因斯坦自己都只會算近似解 學術界普遍認為嚴格解根本求不出來，史瓦西偏不信邪 他原本是波茨坦天文臺臺長 德國最頂尖的天文學家之一 戰爭爆發，投筆從戎 先打法國 再調俄國 白天給大炮計算彈道 晚上就著戰壕裏微弱的燈火 給整個宇宙計算命運 他假設時空是靜態的 球對稱的 真空的 然後硬是把那組方程精確地解了出來 他把結果寫成信 寄給柏林的愛因斯坦 愛因斯坦回信時難掩驚訝 說他根本沒想到 這組方程居然能給出如此簡潔的嚴格解 1916年1月 愛因斯坦親自在普魯士科學院代爲宣讀了史瓦西的論文 四個月之後 史瓦西死在軍中 年僅42歲 奪走他性命的並非炮彈 他在戰壕裏染上了一種自身免疫病天皰瘡 被送回國時已經藥石無靈 他至死都不知道自己在炮火間隙寫下的那幾頁紙 是20世紀最會下蛋的理論母雞，黑洞從裏面孵出來 白洞從裏面孵出來，今天要講的蟲洞也是從裏面孵出來 一個給大炮算彈道的人，順手給宇宙挖了一條隧道 這條隧道到底能不能走人 物理學家整整吵了一百年，今天還在吵 先看清楚史瓦西到底解出了什麼 他的解裏有兩個讓方程發瘋的地方 一個是半徑爲零處，時空曲率趨於無窮 這是貨真價實的物理奇點 另一個在史瓦西半徑處 方程的某些項發散，但後來人們算明白了 這純粹是座標系選的不好造成的假象 換個座標系，那裏的時空平滑得很 這第二個位置就是黑洞的事件視界 黑洞的概念就從這個解裏長出來 故事到這纔剛開了個頭 1960年數學家克魯斯卡爾和塞凱賴什 各自獨立完成了對史瓦西解的最大延拓 通俗講就是把這幅時空地圖畫完整 不留任何缺口完整的地圖一攤開 人們目瞪口呆，整張圖被分成了四個區域 一個是我們的宇宙，一個是黑洞世界內部 還有一個是白洞世界內部 最後居然還有一個跟我們的宇宙一模一樣的鏡像宇宙 白洞是什麼？ 廣義相對論的方程在時間反演下保持不變 你把史瓦西解裏的時間調個頭 數學上就自動多出一個解 性質跟黑洞完全相反 黑洞只吞不吐，白洞只吐不吞 世界之內什麼東西都進不去 裏面的東西卻源源不絕往外噴 請注意，白洞沒有任何觀測證據 純屬方程對稱性贈送的數學產物 它一旦存在，還會跟熱力學定律打得頭破血流 愛因斯坦本人對這種解的態度也很明確 數學遊戲沒有物理意義 可數學有時候就是管不住物理學家的想象力 四個區域擺在那兒，馬上有人動了心思 黑洞連着白洞，我們的宇宙連着鏡像宇宙 這中間會不會有一條通道？ 最早嗅到這股味道的是奧地利物理學家路德維希-弗拉姆 1916年也就是史瓦西解發表的同一年 弗拉姆在審閱這個解時發現 它的空間幾何可以被理解成兩片各自平坦的時空 中間由一個喉嚨連在一起 這是文獻裏第一次出現蟲洞狀的結構 比蟲洞這個詞的誕生早了整整40年 真正把這座橋扶正的是愛因斯坦本人 1935年已經移居普林斯頓的愛因斯坦 同助手納森·羅森發表了一篇論文 標題叫《廣義相對論》中的粒子問題 聽名字就知道 這兩位根本就沒想搞什麼星際穿越 他們的目標很樸素 想用純粹的場來描述基本粒子 繞開討厭的奇點 論文的結論之一 是場方程允許一種連接兩片漸進平直時空的橋存在 後世管它叫愛因斯坦羅森橋 有意思的是 愛因斯坦從頭到尾都不認為這座橋是真實存在的東西 在他眼裏 這不過是方程的一個形式化解 一個數學技巧 親爹嫌棄 這孩子算是生而不幸 再給這座橋命名 又差點親手把他掐死的 是物理學界的傳奇人物約翰·惠勒 這人的履歷能嚇你一跳 量子力學宗師波爾的合作夥伴 核裂變機制的共同闡釋者 美國原子彈與氫彈計劃的核心參與者 帶出來的博士生有50多位 其中就包括後來的諾貝爾獎得主費曼 惠勒有個癖好 特別擅長給物理概念起名字 黑洞這個詞是他與學生在課堂上叫響的 1957年他和學生米斯納合寫論文 正式把這種時空通道命名為蟲洞 起名的靈感很形象 一隻蟲子在蘋果表面爬 從蘋果這一頭爬到那一頭 路途遙遠可要是他一口咬穿果肉 從蘋果內部打個洞穿過去就近得多了 這個被蟲蛀出來的洞就是蟲洞 惠勒對蟲洞的興趣還不限於給經典時空起外號 他早在50年代研究幾何子時就開始琢磨時空的拓撲結構 後來又提出量子泡沫的設想在普朗克尺度上 時空本身會劇烈漲落 微型蟲洞在其中不斷憑空冒出轉瞬湮滅 整個真空在極小尺度上是一鍋咕嘟冒泡的蟲洞粥 可惜這種蟲洞只有普朗克長度量級連一個質子都鑽不過去 對想跨越星系的人類毫無用處 名字起完沒幾年，惠勒自己動了手 1962年他攜手羅伯特·傅勒發表論文 嚴格證明瞭一件事 愛因斯坦羅森橋如果連接同一宇宙的兩個部分 它會以不可思議的速度掐斷 從張開到關閉 快得連光都來不及從這一頭跑到那一頭 任何試圖穿橋的旅行者 結局只有一個：被掐在橋上撞向起點 第一座蟲洞就此被定性為斷頭橋 數學上它存在，物理上它過不去 這個尷尬的定位一掛就是20多年 轉機出現在1985年 而推動轉機的是一位天文學家寫的小說 這一年美國最著名的科普作家卡爾·薩根 正在創作科幻小說《接觸》 他需要把女主角從地球送到26光年外的織女星 薩根最初的設計簡單粗暴，讓女主角跳進黑洞 一小時後從織女星旁邊鑽出來 書寫的差不多了，薩根心裏沒底 把書稿寄給了加州理工學院的引力物理權威基普·索恩 請他幫忙把把關 索恩的導師正是給蟲洞起名的惠勒 索恩讀完書稿立刻看出問題 黑洞的中心是引力奇點 潮汐力趨於無窮大，任何東西掉進去 都會在抵達奇點之前被潮汐力拉成一根意大利麪條 撕得粉碎，根本沒有活着從另一頭出來的可能 換成別人，回信一句此路不通也就交差了，索恩沒有 他琢磨開了，黑洞不行，那蟲洞行不行？ 度假途中，他想通了關鍵環節 隨後帶着自己的研究生麥克莫里斯一起攻關 1988年師徒倆發表論文 給出了可穿越蟲洞的完整設計方案 這種蟲洞沒有事件視界，沒有奇點 潮汐力溫和到人體可以承受 旅行者從這一頭進去，能從那一頭出來 甚至還能原路返回 物理學界這才第一次知道 廣義相對論的方程裏 真的允許一種可以走人的時空隧道 薩根後來在小說《接觸》裏專門謝過索恩 1997年《接觸》被搬上銀幕 2014年拍《星際穿越》時 劇組又把索恩請去當科學顧問 片子裏那個晶瑩的球狀蟲洞 背後全是真的方程 但天下沒有白撿的便宜 莫里斯-索恩蟲洞有一個要命的附加條件 想讓蟲洞的喉嚨保持張開 不坍縮，必須在喉嚨裏填滿一種匪夷所思的東西 奇異物質 也就是能量密度爲負的物質 普通物質恆星行星光，全是正能量 正能量產生吸引的引力，只會讓喉嚨越掐越緊 唯有負能量產生排斥性的引力，才能把喉嚨撐住 於是問題從蟲洞存不存在，變成了負能量到底有沒有 負能量這東西，先得說清楚它不是什麼 它不是反物質，反物質湮滅放出的能量是正的 它也不是暗能量 暗能量雖然頂着個負壓力 乾的卻是推動宇宙加速膨脹的活 跟蟲洞八竿子打不着 真正的負能量藏在真空裏 量子力學告訴我們 真空從來都非是空無一物 粒子反粒子對在真空中不停的憑空冒出 又湮滅消失 整個真空是一片沸騰的量子海洋 1948年荷蘭物理學家卡西米爾預言了一個著名效應 把兩塊不帶電的金屬板在真空中靠得極近 板子之間的量子漲落受到限制，板外的漲落卻沒受限制 裏外一較勁，兩塊板子會被推着互相靠近 換算成能量密度，板子之間的區域就是負的 卡西米爾效應後來在實驗上被反覆驗證 1997年拉莫羅的團隊更是把它測到了極高的精度 負能量從紙面走進了實驗室 注意啊，是卡西米爾，不是克什米爾 也不是米諾蒂爾，更不是布爾什維克 我去，不早說 黑洞邊界上也能見到負能量的影子 1974年霍金提出黑洞輻射理論 世界邊緣冒出的一對粒子 一個被黑洞拽進去，另一個逃逸出來 形成霍金輻射 為了守住能量守恆的底線 掉進黑洞的那個粒子必須攜帶負能量 黑洞吃掉它，質量不漲反降，就這麼越吃越瘦，最終蒸發殆盡 負能量既然真實存在，拿它來撐蟲洞，不就萬事大吉了嗎 麻煩正在這裡，自然界對負能量立了兩條鐵規矩 第一條叫量子不等式，負能量的密度越大 允許它存在的時間越短，範圍越小 想攢出一大坨長期穩定的負能量，那是想都別想 卡西米爾效應裏那兩塊板子得貼到比頭髮絲還近的距離 才能換來一丁點負能量 第二條，負能量同正能量永遠打包出現，形影不離 你要是想把它們分離開，單獨提取負能量 就等於憑空降低了真空的混亂程度，這活兒幹得成 熱力學第二定律就得當場報廢 第二類永動機都能順手造出來 物理學家替蟲洞算過賬 一個喉嚨半徑一米勉強能爬人的蟲洞 需要的負能量摺合成質量 量級相當於一整顆行星，直徑一米尚且如此 想開一艘飛船過去，你自己掂量 蟲洞還惹出過更大的麻煩 1988年莫里斯·索恩和尤爾特·塞弗發現 只要把可穿越蟲洞的一個洞口加速到接近光速再帶回來 利用時間膨脹效應 兩個洞口之間就會產生時間差 穿越者從年輕的洞口進去 會從年老的洞口出來 蟲洞就此升級成時間機器 好消息是 這種時間機器有個天然限制 你最早只能回到這臺機器被造出來的那一刻 想回戰國看兵馬俑 沒戲 壞消息是 祖父悖論之類的因果災難 還是陰魂不散 霍金爲此專門提出了時序保護猜想 物理定律會想盡辦法阻止時間機器成型 計算顯示在蟲洞即將變成時間機器的瞬間 真空漲落會瘋狂堆積直接把蟲洞燒穿 宇宙的因果律會自動找平 講到這裏，你可能覺得蟲洞這事基本可以蓋棺論定 數學玩具，物理幻想，先別急着下結論 咱們把鏡頭切到黑洞身上 看看這位蟲洞的親兄弟混得怎麼樣 黑洞剛被算出來的時候 待遇跟蟲洞一模一樣，離譜的數學解 沒人當真 轉折從觀測開始 1972年前後 天文學家鎖定了天鵝座X1 一個發射強烈X射線的黑暗天體 根據伴星的軌道推算 它的質量遠超中子星的上限，只能是黑洞 1974年霍金和索恩爲這事正式立下賭約 霍金賭它不是黑洞，索恩賭它是 這賭注設計得很賊，霍金畢生心血都壓在黑洞理論上 這回偏偏反着壓，賭贏了，理論塌房，好歹贏一筆錢 賭輸了，掏點雜誌錢 換來的卻是自己的理論大獲全勝 怎麼算都不虧 1990年觀測證據完全壓倒爭議 霍金公開認輸 按約給索恩訂了一年成人雜誌《閣樓》 這事後來被物理學家們在酒桌上反覆傳頌 再往後，2015年 激光干涉引力波天文臺 首次直接探測到雙黑洞合併的引力波 索恩作爲LIGO的奠基人 2017年站上了諾貝爾獎領獎臺 2019年事件視界望遠鏡拍下了 M87星系中心黑洞的照片 那是一個質量相當於65億個太陽的巨獸 照片裏橙紅色的光環刷爆了全網 2022年銀河系中心黑洞人馬座A的照片也公之於衆 這回是400萬倍太陽質量 就在咱們銀河系自己家裏 一個世紀前戰壕裏的數學解 如今有圖有真相 銀河系數以億計的黑洞 早已是教科書裏的常識 黑洞的翻身史說明一件事 方程的解不等於天上的實物 可方程的解也真有可能在某天被觀測逮個正着 這句話就是蟲洞支持者心裏那團不滅的火 而真正讓這團火越燒越旺的是量子力學 遇事不決量子力學，這回還真不是玩笑 1935年是個神奇的年份 愛因斯坦在這一年參與寫了兩篇論文 一篇與羅森合作搞出了蟲洞的雛形愛因斯坦-羅森橋 簡稱ER 另一篇與羅森·波多爾斯基合作 提出了量子糾纏的悖論 簡稱EPR 同一個愛因斯坦 同一年一手埋下蟲洞 一手埋下糾纏 兩件事在之後的78年裏各走各的路 互不搭理 直到2013年 普林斯頓高等研究院的馬爾達西納 給斯坦福的薩斯坎德發了一封郵件 正文只有一行 ER 等於 EPR 兩人隨即合作提出一個石破天驚的猜想 兩個處於量子糾纏狀態的系統 它們之間的糾纏本質上就是一個微觀蟲洞 反過來說蟲洞就是宏觀世界的量子糾纏 廣義相對論同量子力學 這兩位鬥了一個世紀的冤家 第一次被人用等號焊在了一起 順帶一提 在這個框架裏不可穿越的蟲洞恰好對應糾纏不能傳遞信息 而可穿越蟲洞對應量子隱形傳態信息能過去 可依舊不違反光速限制宇宙的基本法則並沒有被違反 這套理論聽著很玄 可他在2022年真的走進了實驗室 這一年加州理工學院的瑪莉亞·斯皮羅普魯領銜的團隊 聯合哈佛大學與谷歌，幹了一件轟動物理學界的事 他們在谷歌的懸鈴木量子計算機上 造出了人類歷史上第一個全息蟲洞 論文登上了《自然》雜誌的封面 實驗的思路精巧得讓人拍案 團隊沒有也不可能真的在實驗室裡挖一條時空隧道 他們做的是另一件事 根據全息對偶原理，某些量子系統的行為 跟蟲洞的數學模型嚴絲合縫地對應 這個對應正是馬爾達西那1997年提出的那套 全息對偶的嫡系後代 那就好辦了 用量子比特搭一個這樣的量子系統 讓它按蟲洞的劇本演戲 麻省理工學院的研究生亞歷克斯·茲洛卡帕 負責把模擬黑洞的模型大刀闊斧地精簡 砍到每組只用7個量子 這才塞進量子計算機的度量 兩組量子比特 一組扮演蟲洞入口 一組扮演出口，信息從入口送進去 先被打亂打散，好比一滴墨水滴進水裏化開 接著施加模擬負能量的操作，把蟲洞撐開 片刻之後 出口那頭打散的信息居然重新聚合到了一起 散開的墨水倒流回了原樣 整個過程跟一個可穿越蟲洞傳輸信息的動力學一模一樣 當然，質疑聲也跟着來了 有物理學家潑冷水說 這模擬的終究只是量子比特 離真正的引力蟲洞還隔着一層對偶的窗戶紙 這事兒該怎麼評價？ 冷靜一點說，芯片裏沒有時空被挖洞 沒有引力場 沒有任何東西真的穿越了空間 實驗實現的是一個跟蟲洞數學模型對應的量子過程 可它的意義同樣不容貶低 人類第一次在真實的物理系統裏 親眼看見了蟲洞方程預言的行爲 負能量撐開通道，信息穿越，重新聚合 理論模型實驗，三環第一次扣上 這一步證明的是可穿越蟲洞在量子引力的框架內自洽 而非是我們能造蟲洞了 這兩者之間隔着一整個工程學的銀河系 理論這邊也沒閒着 2026年1月 《經典與量子引力》期刊上的一篇新論文 又給蟲洞的百年公案添了新劇情 研究者重新解剖了愛因斯坦羅森橋 提出這座橋可能壓根算不上什麼空間通道 它更真實的面目是一種連接相反時間箭頭的微觀量子結構 橋的一側時間正向流動，另一側反向演化 照這個解讀，當年可穿越蟲洞的設想 是對這個數學解的過度物理化解讀 可穿越的宏觀蟲洞被從理論層面又砍了一刀 你看，九十年過去，愛因斯坦和羅森留下的那座橋 還在被人翻來覆去的拆解 無人能說準下一篇論文會把它拆成什麼樣 那麼，蟲洞到底有沒有實現的可能？ 在數學上是允許的 蟲洞是愛因斯坦場方程堂堂正正的解 可穿越蟲洞有嚴格的數學形式及度規 研究它的論文浩如煙海 數學這一關，蟲洞一百年前就已過關 然而在觀測上是零，白洞沒有影子，蟲洞沒有影子 今天這個接近絕對零度的冷宇宙中 時空早已從大爆炸中冷卻 時空不再容易發生劇烈的量子漲落和拓撲變化 蟲洞很難天然冒出來 索恩的判斷是，天然蟲洞或許 只有在大爆炸早期那個滾燙湍動的時空裏纔可能偶然冒頭 隨後隨着宇宙膨脹冷卻，率先銷聲匿跡 有人想過間接的笨辦法，死死盯住 銀河系中心黑洞附近的恆星軌道 要是真有蟲洞另一頭天體的引力會順着通道滲過來 把這一頭恆星的軌道帶偏 可惜到目前為止，軌道是沒有絲毫變化 難道說女媧補天補的就是蟲洞 從此以後，穿越變得非常困難 蟲洞在數學上說得通 但觀測上沒有任何證據 真要造出來，更是沒影的事 難點主要在負能量 量子不等式，把負能量的數量和持續時間卡得很死 而維持蟲洞需要的量比它能允許的高出太多 時間機器也不樂觀 時序保護猜想 認為物理定律會阻止回到過去 至於人造黑洞，哪怕只想造一個能明顯彎曲時空的 耗能也遠遠超過人類目前的總能量 所以蟲洞這玩意兒，我這輩子是看不到了 不過，要是就此把蟲洞貶為一錢不值的空想，那也不對 回頭數數這條百年線索，為了給小說把關 逼出了可穿越蟲洞的整套物理 為了對付蟲洞時間機器，逼出了時序保護和量子不等式 為了給蟲洞找理論根基，逼出了ER等於EPR 逼出了全息蟲洞實驗 蟲洞一次又一次被證明此路不通 可每一堵牆撞上去 牆後面都掉出來一塊新物理的拼圖 它真正的價值 也許根本不再讓人鑽過去 是在於逼著物理學往前拱 1940年的一天 還在普林斯頓讀博士的費曼 接到導師惠勒打來的一個電話 惠勒在電話裏說 費曼 我知道為什麼全天下的電子都長一個樣了 費曼問為什麼 惠勒說因為整個宇宙裏從頭到尾只有一個電子 這個電子在時間裏來回折返跑 撞上光子就掉頭逆著時間往回跑，再撞，再折返 我們在任何一個瞬間給宇宙切一個橫截面 就看見億萬個電子同時在場 而那個逆著時間跑的電子在我們眼裏就是正電子 費曼聽完追問那宇宙裏的正電子為什麼這麼少 惠勒卡了殼只好說也許它們都藏在質子裏 25年後費曼站上諾貝爾獎的領獎臺 當著全世界的面講了這個故事全場大笑 這個狂想的結局頗具深意，藏在質子裏被證明是錯的 可正電子是逆著時間奔跑的電子，這個畫面 後來真成了量子場論的標準途徑 惠勒式的瘋話往往一半錯得離譜，一半深得嚇人 蟲洞就是同一脈血統的產物，從方程裏蹦出來 有人證明，有人證偽 被小說收編，被電影供養 被量子計算機按進芯片裏反覆揉搓 它到底是下一個黑洞？從鬼話變成實物 還是永遠停在紙上的傳說 沒人知道 愛因斯坦不知道 惠勒不知道 你我也不知道 唯一確定的是 一百多年前 那個戰壕裏的炮兵軍官寫下的方程 到今天還在給人類出謎語 蘋果還在那 蟲子還在爬 而洞也許就藏在下一個還沒被解出來的結裏