電影《星際穿越》中的黑洞（上)和蟲洞(下)

        在電影《星際穿越》中，男女主角在靠近黑洞的行星上，呆了幾個小時，回到飛船上發現已經過了二十幾年，這種情況可能出現嗎？通過蟲洞可以完成時間、空間旅行嗎？在觀影之前先了解下黑洞、蟲洞、時空旅行是怎么回事吧。

一旦接近黑洞，就會被潮汐力撕得粉碎

        簡單來說，黑洞是宇宙中有著強大引力的超高密度天體，任何物質只要超過黑洞外圍的“視界”，都將被吸入黑洞，并且有去無回。

        “黑洞”最早被科學家提出時還不叫“黑洞”。1783年，劍橋的學監約翰·米歇爾進行了一項論證：如果有個人垂直向上射出一個粒子，比如炮彈，它的上升將被引力所減緩，而且這個粒子最終將停止上升并落下。然而，如果初始向上的速度超過“逃逸速度”（對地球而言，“逃逸速度”大約為每秒12千米，對于太陽則大約為每秒100千米）的臨界值，引力將不夠強大到足以停止該粒子，它將飛離遠去。光速大約是每秒300000千米，光可以從地球或太陽輕而易舉地逃逸。

        約翰·米歇爾論斷，可以存在比太陽更大質量的恒星，其逃逸速度超過光速，因此任何光都可以被這些恒星的引力拖拽回去，在那種情況下，連光線都看不到。米歇爾將這樣的情況叫做“暗星”，就是我們現在叫做“黑洞”的東西。

        “米歇爾暗星”的思想是基于牛頓物理學，牛頓理論中的時間是絕對的。在廣義相對論中情形就非常不同，大質量物體可以使時空彎曲。但是，在很長一段時間里，大多數物理學家，包括愛因斯坦都很懷疑，物體如此極端的形態是否真的在實際的宇宙中發生過。愛因斯坦本人從不相信黑洞，而且大多數廣義相對論的元老都認同他的態度。

        1916年，德國天文學家卡爾·施瓦茲席爾德揭示了廣義相對論中的一個令人吃驚的含義，他指出，如果恒星質量被集中在足夠小的區域，恒星表面的引力場就會變得非常強，連光都不能逃逸，它是時空中以“事件視界”為界的區域。在這個區域，觀察者看不到任何東西，包括光。卡爾·施瓦茲席爾德的發現，在當時并沒有得到理解和重視。

        霍金在《果殼中的宇宙》中提到：“我還記得有一次去巴黎做學術報告，那是關于我發現的量子理論意味著黑洞不是完全黑的。我的學術報告徹底失敗，因為那時在巴黎幾乎無人相信黑洞。”

        直到1963年，3C273類星體的發現引發了大量有關黑洞的理論研究及檢測它們的觀察嘗試。3C273類星體是第一個被發現的類恒星無線電源，在一個小區域內產生了大量的功率。物質落入“黑洞”，似乎是能夠解釋這么高亮度的唯一機制。

        霍金說，這類恒星是由諸如獵戶座星云中的那些氣體形成的，當氣體云在自身的引力下收縮時，氣體被加熱上去，并且最終熱到足以開始熱聚變反應。大質量的恒星把它們的氫燃燒成氦，氦又燃燒成諸如碳和氧等更重的元素，但是這些核反應不會釋放出大量能量。這樣，恒星失去支持自身對抗引力的熱量和熱壓力，它們開始變得更小，不停地收縮，最終坍縮成零尺度和無限密度，從而形成奇點。當恒星達到一定的臨界半徑，光線將在恒星常距離處逗留，永遠不能離開。光線的臨界軌跡掠過的表面稱作“事件視界”，它把時空中的光線隔離成能夠逃逸的區域和不能逃逸的區域，從它表面發射的任何光線都將被時空曲率向里面彎曲，恒星就成為一個“米謝爾暗星”。

        1969年，美國物理學家約翰·阿奇巴爾德·惠勒為物體的坍縮狀態撰寫了“黑洞”這個術語，并激發了這個領域中的大量現代研究。

        霍金在《果殼中的宇宙》中的理論說明，一個落進黑洞并撞到奇點上去的航天員的時間，將會終結。當宇航員著陸在一顆正在坍縮的恒星上時，在這個恒星表面的時間就將緩慢下來并最終停止。

        因此《星際穿越》中的情節設置有一定的理論基礎。不過這僅僅是物理學上的理論。人類要真正做到這些，暫時沒有可能。上海交通大學物理與天文系王斌教授告訴澎湃新聞（www.usamodel.cn），“接近黑洞，就會被黑洞的潮汐力撕得粉碎，任何東西都不例外。男女主角在靠近黑洞的行星上，這個靠近的概念是多遠的距離？就算靠近黑洞到可以感受到黑洞的作用，一旦越過視界，你也就無法再返回。”

蟲洞停留在思想實驗階段，宇宙中還沒找到

        時空旅行是科幻電影中常設的情節。《星際穿越》中的主角們就經歷了蟲洞這個時空隧道，那么蟲洞是什么呢？“簡單地來說，可以把蟲洞理解為連接不同空間的橋梁，你可以通過蟲洞瞬間進入另一空間，甚至回到過去的時間”，王斌說。

        物理學家基帕·索恩在《黑洞與時間彎曲》中說了一件趣事。1985年，基帕·索恩多年的老朋友卡爾·薩根打來的電話，卡爾·薩根寫了一本小說，因為恐怕將某些物理原理弄錯，希望基帕·索恩確認一下。在卡爾·薩根的小說中，女主角落進了地球附近的一個黑洞，然后穿越了空間，1小時后出現在26光年遠的織女星旁。

        通過黑洞穿越顯然是不可能的，除了被黑洞摧毀沒有別的下場。基帕·索恩腦海中閃過一個念頭：可以把黑洞換成穿過空間的蟲洞。蟲洞有兩個洞口，可以設計成一個在地球附近，另一個在26光年遠的織女星軌道附近，兩個洞口通過超空間的隧道相連接，可能只有1公里長。這部小說叫《Contact》，后被拍成電影《超時空接觸》。

        基帕·索恩說，在紙上爬行的螞蟻感覺不到紙是平整的還是有褶皺的，同樣，宇宙中的我們也不太清楚，我們的宇宙在超空間里是平直的還是像彎曲。正是因為超空間的彎曲，地球和織女星才有可能相鄰，從而可以通過很短的蟲洞連接起來。

        蟲洞不僅是科幻小說家憑空想象的東西，1916年，數學家就在愛因斯坦場方程的解里發現了它。“可以說蟲洞是一個數學概念，從物理角度目前無法觀測到”，王斌告訴澎湃新聞。

        基帕·索恩幾十年來也在懷疑蟲洞的存在。我們可以在星系中大量觀測到大質量的恒星在死亡坍縮時會形成黑洞，但在自然界卻沒有看到類似蟲洞的生成方式。“實際上，沒有任何理由相信我們的宇宙在今天包含了任何會產生蟲洞的奇點，即使存在這樣的奇點，也難以理解兩個奇點能在廣闊的超空間里相遇而形成蟲洞”，基帕·索恩在《黑洞與時間彎曲》中寫道。

        按照愛因斯坦場方程，蟲洞的壽命非常短暫，在輻射的隨機打擊下還會更短，比以往更加快速地收縮、關閉，彷佛它根本不曾存在過。基帕·索恩開始思考是否有一種無限發達的文明，可以讓蟲洞總是開著。以愛因斯坦場方程為基礎，基帕·索恩認為，可以用某種奇異物質貫穿蟲洞，靠引力作用將洞壁撐開，這個貫穿蟲洞的奇異物必須具有負能量密度。不過，能量密度是相對概念，不是絕對的，在不同的參照物系里它可以是正的，也可以是負的。

        蟲洞需要奇異物打開的發現，在1988—1992年間激起了理論研究熱潮，中心問題是：物理學定律容許奇異物存在嗎？如果是，應該在什么條件下呢？直到今天，關于開啟蟲洞的條件以及奇異物的存在都未有定論，這也為各類科幻電影電影、小說提供了很大的發揮空間。

        基帕·索恩說，假如在大爆炸中沒有生成蟲洞，那么一個無限發達的文明，可能用量子方法或者扭曲空間的辦法構造蟲洞，但是不論使用哪種方法，時間在所有參照系看來都會被它強烈扭曲，因此，蟲洞就成為了一臺時間機器。

        霍金在《果殼中的宇宙》中寫道，“如果航天飛船于12：00出發，如果時空彎曲得足夠厲害，飛船沿著一個巨大的圈環穿越彎曲的時空航行，飛船將在11：45返回出發點。也就是說飛船在出發之前已經返回。”

        基帕·索恩假設了一個思想實驗，找一個很短的蟲洞，一個洞口放在家中起居室，另一個洞口放在門前草地上的家庭飛船。基帕·索恩留在家里的洞口，妻子卡洛麗帶著另一個洞口乘飛船以光速去宇宙旅行。整個旅行過程中，兩人的手通過蟲洞握在一起。卡洛麗將于出發后12個小時回到家前的草地。但是以地球時間來測量，卡洛麗回來后，地球上已經過了10年。10年后，卡洛麗回來，基帕·索恩站在妻子身后，從洞里看，握著她的手的人，正是10年前的他自己。蟲洞成為時間機器。如果從飛船的這個洞口爬過去，那么基帕·索恩就會從10年前屋里的那個洞口出來，與10年前的自己相會，如果反方向穿過蟲洞，則會老10歲。

        基帕·索恩提醒，雖然思想實驗上可以通過蟲洞回到過去，但這個“過去”并不是隨便的什么時間，因為哪怕是在理論上，也不可能通過蟲洞，穿越到進入蟲洞之前的時間里。也就是說，蟲洞只在蟲洞兩端有效，無法實現其他時空的隨意穿越。當然，如果有很多蟲洞，并且相互連通，那蟲洞的效果就大不相同了，想想蘋果內部真正的蟲洞吧。

        好了，去看看《星際穿越》中基帕·索恩為時空旅行創建了什么樣的模型吧。