科幻作品《星際迷航：深空九號》里，深空九號空間站被設(shè)定在一條天然蟲洞旁，人們可以通過它直接抵達(dá)銀河系的另一側(cè)。

在科幻電影里，蟲洞幾乎從不缺席：一個(gè)旋轉(zhuǎn)的洞口懸浮在宇宙中，像被撕開的空間裂縫，飛船對準(zhǔn)它沖進(jìn)去，下一秒就出現(xiàn)在遙遠(yuǎn)的星系。這個(gè)畫面如此經(jīng)典，以至于我們幾乎默認(rèn)——蟲洞一定長得像個(gè)洞。

但如果你去問研究廣義相對論的物理學(xué)家，他們往往會先糾正一個(gè)基礎(chǔ)誤解：在嚴(yán)格的數(shù)學(xué)意義上，蟲洞并不存在一個(gè)可以被稱為“洞口”的結(jié)構(gòu)。

我們?yōu)槭裁纯偘严x洞想成“洞”

枯樹上的一個(gè)洞（圖片來源：維基百科）

人類對空間的直覺，來自日常經(jīng)驗(yàn)。洞意味著缺失：山洞、地洞、隧道，本質(zhì)上都是“實(shí)體中被挖掉的一部分”。所以當(dāng)我們聽到“蟲洞”，自然會以為那是宇宙里被掏空的地方。

但在廣義相對論中，空間并不是一個(gè)裝東西的容器，而是一個(gè)可以彎曲、拉伸、折疊的幾何結(jié)構(gòu)。引力不是“拉力”，而是質(zhì)量讓時(shí)空發(fā)生了形變。

一個(gè)經(jīng)典的比喻是二維紙面世界。如果你生活在一張紙上，從紙的一端到另一端需要走很遠(yuǎn)。但如果有人把紙折疊起來，讓兩個(gè)遠(yuǎn)點(diǎn)貼在一起，你只需要跨一步。這一步不是因?yàn)椤按蛄硕础?，而是因?yàn)閹缀侮P(guān)系變了。

圖中將蟲洞示意為一個(gè)二維曲面。路徑（a）代表在普通空間中從 1 點(diǎn)到 2 點(diǎn)所需經(jīng)過的最短距離，而路徑（b）則利用蟲洞結(jié)構(gòu)，走了一條在幾何意義上更近的“捷徑”。（圖片來源：維基百科）

蟲洞正是這種幾何變化的極端版本。它不是在空間中“挖洞”，而是讓空間本身以一種非常反直覺的方式彎折、連接。

在廣義相對論的方程里，蟲洞被描述為一種特殊的時(shí)空解。它通常由兩個(gè)“外部區(qū)域”和一個(gè)“喉部”組成。關(guān)鍵在于，這個(gè)結(jié)構(gòu)并不存在一個(gè)邊緣清晰、像洞口一樣的缺口。

模擬可穿越蟲洞的圖像（圖片來源：維基百科）

從外部觀察，蟲洞的“入口”更像是一個(gè)封閉的球形邊界。所有靠近它的物體，都會發(fā)現(xiàn)自己并不是對準(zhǔn)一個(gè)空洞墜落，而是朝著一個(gè)球狀區(qū)域被引力吸引。

這是為什么物理學(xué)家強(qiáng)調(diào)：蟲洞在視覺上更接近一個(gè)球體，而不是洞。你不會看到宇宙背景在洞后方延伸，也不會看到另一端的星空。你看到的只是一個(gè)表面，一個(gè)“到此為止”的邊界。

進(jìn)入蟲洞的感覺，與其說是“鉆進(jìn)去”，不如說是穿過一個(gè)球形的界面。

那么，蟲洞到底是怎么被提出來的？

有趣的是，蟲洞并不是某個(gè)物理學(xué)家為了滿足科幻想象而發(fā)明的概念。它幾乎是“順帶出現(xiàn)”的。

1916年，在廣義相對論提出不久，物理學(xué)家就在方程中發(fā)現(xiàn)了描述黑洞的解。隨后，人們又意識到，同樣的方程還允許一種時(shí)間反演的解——后來被稱為“白洞”。1935年，愛因斯坦和羅森在研究這些解時(shí)發(fā)現(xiàn)，如果把兩者在數(shù)學(xué)上連接起來，就會得到一種橋狀結(jié)構(gòu)，這就是后來被稱為“愛因斯坦–羅森橋”的蟲洞模型。

換句話說，蟲洞并不是額外加進(jìn)去的，而是方程自己“長出來”的東西。

問題在于：數(shù)學(xué)允許，并不等于物理可行。

沒有奇異物質(zhì)，蟲洞就永遠(yuǎn)會像圖片右邊那樣，是一個(gè)瞬間開啟又瞬間掐斷的“死亡陷阱”。（圖片來源：david darling）

最經(jīng)典的蟲洞模型有一個(gè)共同缺陷——它們極其不穩(wěn)定。時(shí)空結(jié)構(gòu)會在極短時(shí)間內(nèi)塌縮，甚至不足以讓一束光完整通過。想要讓蟲洞保持張開，理論上需要一種具有負(fù)能量密度的奇異物質(zhì)來“撐住”它。

這種物質(zhì)的性質(zhì)非常反直覺：它的引力是排斥的，而不是吸引的。目前為止，人類從未在自然界中發(fā)現(xiàn)可以宏觀存在的負(fù)能量物質(zhì)。也正因如此，大多數(shù)物理學(xué)家認(rèn)為，可供穿越的蟲洞更像是數(shù)學(xué)上的極限情況，而不是宇宙中的真實(shí)通道。

為什么時(shí)間旅行總是和蟲洞綁在一起

蟲洞常常和時(shí)間旅行一起出現(xiàn)。因?yàn)樵诂F(xiàn)有理論中，它恰好站在一個(gè)非?！拔ｋU(xiǎn)”的位置——那里，空間、時(shí)間和因果關(guān)系開始彼此糾纏。

1998 年萊斯·博西納斯為美國宇航局設(shè)想的蟲洞旅行（圖片來源：NASA）

在廣義相對論里，時(shí)間并不是絕對均勻流逝的。高速運(yùn)動、強(qiáng)引力環(huán)境都會讓時(shí)間變慢，這是已經(jīng)被反復(fù)驗(yàn)證的物理效應(yīng)。如果蟲洞的兩端經(jīng)歷了不同的時(shí)間流速，比如一端高速運(yùn)動，另一端靜止，那么在理論上，它們之間就可能產(chǎn)生時(shí)間差。

但這并不意味著物理學(xué)家認(rèn)為時(shí)間旅行是“可行方案”。恰恰相反，幾乎所有嚴(yán)肅的分析都會在下一步遭遇障礙：蟲洞本身的穩(wěn)定性、維持結(jié)構(gòu)所需的能量條件、以及一旦允許回到過去就會出現(xiàn)的因果悖論。

也正因?yàn)檫@些問題，許多研究并不是在“如何利用蟲洞”，而是在反過來追問：是否存在更深層的物理規(guī)律，會自動阻止這種情形發(fā)生。這也是“年代保護(hù)猜想”等思想出現(xiàn)的背景。蟲洞在這里更像一個(gè)試金石，用來檢驗(yàn)現(xiàn)有理論在因果問題上的底線在哪里。

Blázquez-Salcedo 等人構(gòu)建的一個(gè)四維時(shí)空中可穿越蟲洞的具體例子。（圖片來源：NASA）

蟲洞在現(xiàn)實(shí)中很可能并不是一條等待被開啟的通道，而是一種存在于方程邊緣的極限結(jié)構(gòu)。物理學(xué)家之所以反復(fù)討論它，并不是因?yàn)槠诖ㄟ^蟲洞抵達(dá)遠(yuǎn)方或過去，而是因?yàn)樵谶@些看似“不現(xiàn)實(shí)”的設(shè)想中，時(shí)空、因果與引力的理解最容易暴露出不足。蟲洞提醒我們的，并不是宇宙還能帶我們走多遠(yuǎn)，而是當(dāng)直覺失效時(shí)，現(xiàn)有理論究竟還能走多穩(wěn)。

撰稿/楊雨鑫

參考資料：

[1]. Discover → A Wormhole Would Really Look Like a Sphere, Not a Hole – Here’s Why

[2]. Discover → What Are Wormholes, and Could They Be the Answer to Time Travel?

[3]. sciencealert → If Wormholes Are Lurking in Our Universe, This Is How We Could Find Them

[4]. Astronomy.com → What are wormholes? An astrophysicist explains these shortcuts through space-time