星際穿越中的四大科學依據（這才是星際穿越真正的科學養分）

2023-10-05 23:54:44

在克里斯多福·諾蘭籤約導演《星際穿越》這部電影，並開始重寫劇本之前，天體物理學家基普·索恩(Kip Thorne)早已在與諾蘭的弟弟喬納森商討將其黑洞理論搬上熒幕。為確保對「黑洞」描述的準確性和美觀性，從未真正了解代數學的諾蘭也不得不認真琢磨索恩的畢生研究。

基普·索恩/文

1蟲洞理論的科學史發展

從愛因斯坦廣義相對論中推導出時空旅行的可能性，似乎已被大多數人所認識到——很大程度上這得歸功於科幻作品的傳播效應，但事實上對其具體細節的認識則相當模糊和含混的。十年前——也就是1976年，英國培根基金會（Francis Bacon Foundation）還曾懸賞300英鎊來專門徵求一個相關問題的解：

「按照目前的理論，轉動黑洞是通往其他時空區域的真實入口，那麼一個飛行器怎樣才能通過一個轉動黑洞進入另一個時空區域，而不被奇點的引力摧毀？」

2穿越蟲洞：時空旅行的依據

據科學家觀測，宇宙中充斥著數以百萬計的「蟲洞」，但很少有直徑超過10萬公裡的，而這個寬度正是太空飛船安全航行的最低要求。「負質量」的發現為利用 「蟲洞」創造了新的契機，可以使用它去擴大和穩定細小的「蟲洞」。 科學家指出，如果把「負質量」傳送到「蟲洞」中，把「蟲洞」打開，並強化它的結構，使其穩定，就可以使太空飛船通過。 蟲洞，這個科幻園地中的主題，今天已從紙面躍出，成為天文學家搜索的目標。蟲洞為何那麼吸引人？因為它為星際航行提供了一條捷徑。例如從地球飛往最近的鄰居——半人馬座——比鄰星，將要飛奔4光年的旅程，而通過蟲洞，卻只需幾小時就夠了。 其實，遠在廣義相對論發表後不久，科學家就在理論上發現了蟲洞的存在，但此後，對它的研究進展很慢，它的不少性質仍然十分模糊。例如，它僅能讓光線通過？ 抑或也可使飛船穿行？直到1988年，美國加州工學院的桑恩等人，對蟲洞作了較為深入的研究，才肯定蟲洞的兩端皆可出入，並非像黑洞那樣是「單行道」。

此外，旅行者在洞內僅受到一般的加速度。不像在黑洞中，若你的腳指向黑洞中心，那麼，巨大的引力場會在頭足之間構成極大的拉力差，足可把身首撕開。桑恩還提出了構造蟲洞的概念，當然是理論上的。他說，這涉及到對宏觀空間的挖破和扭曲。生活在二維空間（如紙面）的智慧螞蟻，它想從紙面上的一點走到另一點，按常規，只有一種辦法，即沿著連接該兩點的直線走去，這也是兩點間的最短距離。但還有一種距離更短的走法：把紙對摺成兩面，使兩點靠得很近，再用一個紙筒（它提供了通過第三維的一條捷徑）將兩點接通，螞蟻可經紙筒而到達彼點。為此，螞蟻必須在紙面上挖出兩個孔。在這一例中，紙筒十分類似於通過更高強空間的蟲洞。故欲構築蟲洞，必撕破空間。 空間不是空空的嗎，怎樣去撕破，挖孔？實難想像。但相對論早就告訴我們，引力能彎曲空間。桑恩說，空間的裂口處，時空會出現陡峭的勢態，就如黑洞中心的那種情況。但他承認，由於沒有一個成熟的量子引力理論，對這個問題很難深入討論下去。

從理論可知，蟲洞內的空間被扭曲得極不自然，以致無法使它保持暢通，即使能開通，也只是一瞬間。但蟲洞卻可讓奇異物質通過，為何奇異物質受此優待呢？這還得從相對論談起。 愛因斯坦認為，引力來自物質的兩種全然不同的性質。一種是大家熟知的，質量密度越大，引力場也越強，由於物質的質量跟能量是等價的，故可說，能量密度（單位體積內所含的能量）對引力作出貢獻；另一種是物質對周圍所施加的壓力，就像氣體對容器壁所做的那樣，但是這種壓力原則上可正可負。 若跟物質內所含的能量相比，這種壓力就小得微不足道。但桑恩說，有一種物質卻具有極大的負壓，奇異物質就明顯地具有這種特性，且其負壓之大，超過了它的能量密度。從而使得奇異物質周圍的空間，被扭曲得十分奇怪，跟一般物質的扭曲情況相比，正好改變了空間扭曲的「符號」，具體地說，其引力具有排斥性。 按現代宇宙學理論，在宇宙創生後立即驅使宇宙急速膨脹的力，正是「奇異」真空的具有極大負壓的排斥性引力。宇宙暴脹可能提供一種保持蟲洞開放的手段。一些物理學家認為，暴脹可能造成「宇宙繩」環（宇宙理論中的一種物質），當量子蟲洞和宇宙繩環同時暴脹時，有可能產生宏觀的開通的蟲洞。此外，他們還相信，先進文明所創造的人工蟲洞，可能用奇異物質的「支柱」來保持蟲洞的暢通。故桑恩的蟲洞，可謂之奇異物質蟲洞。

科學家麥可思還提出了磁蟲洞理論。他說，極強烈的磁場將能彎曲時空而形成蟲洞。根據相對論，任何含有能量的東西（包括磁場），皆能彎曲空間。遠在20年代，一位義大利理論家萊特，就在愛氏方程中找到了磁引力。 萊特的理論說，在一個由螺線管產生的磁場中，螺線管內形成了一個引力磁，但要獲得這種人工引力場，磁場需十分巨大。據麥可思說，萊特的磁引力跟桑恩的蟲洞極相似。麥可思說：「其理論的實際意義，就是一個磁蟲洞。」他說，若在實驗室內用2.5T（特斯拉）的磁場，即可構造出一個磁蟲洞，洞的半徑極大，約為150光年，若欲將此蟲洞的半徑壓縮到實驗室的尺度，則所施加的磁場需大到10億T，這顯然超出目前人類的科技能力（最大人工磁場約10T）。但麥可思說，在天空中必定能找到這種磁蟲洞，因為中子星表面的磁場達10億T，在那裡，磁蟲洞將自發地產生。 磁蟲洞有一個優點，按麥可恩的說法，它比較容易測量驗證。由於磁引力也將影響光線，「在引力場中，光速將減慢。若光線通過螺線管時，其速度低於真空中的光速」，即可證明磁蟲洞的存在。不論奇異物質蟲洞或磁蟲洞，只要存在於天空之中，就能從地球上測得它們的特徵性信號。若一個蟲洞嘴處在地球和某一恆星之間，那麼蟲洞的引力將引起這一恆星的光產生異常的波動，將使我們看到一個兩邊特別明亮中間較暗（星光）R光學像。為何如此奇怪？這要談到負（質量）物質和引力透鏡。

據俄科學家諾朱可夫的理論，當物體進入蟲洞，「入口」處明顯地增大質量，而同時在「出口」處，則立即失去對應的這份質量。即使此物體已穿出蟲洞，也仍會留下這些痕跡：蟲洞的一邊將保持其已獲得的質量，而另一邊最終則呈現負質量。 負（質量）物質具有明顯的特性，它只具有排斥性引力，因而能將其周圍的任何物質都向四周掃出，且對光線的運動造成極大的扭曲。

通常的物質（即正質量物質），若正好通過地球與某一恆星之間，其引力將彎曲和放大這一恆星向地球射來的星光，很像一個聚光鏡的行為。天文學上稱之「引力透鏡」效應。具體地說，我們這時將看到這一恆星星光比平時亮得多。若這個經過地球恆星間的天體，是由負物質構成的，那又將如何？它也將彎曲星光，但由於其具有排斥性引力，故彎曲星光的情況迥然不同。星光經它身旁時，會出現所謂焦散現象，即星光從透鏡（負物質天體）的軸線處被推出，而在兩邊上聚焦。這意味著，當負物質天體運動在地球與某一恆星之間時，我們將看到，這個恆星不是像平時那樣的一個光點，而是在亮度上出現兩個突然增亮的跳躍。這種「雙峰」 亮度特徵信號是十分明顯的，故為探測出蟲洞提供了一個方便之門。

３霍金對蟲洞理論的解讀

尋找穿越第四維的通道

在科學界，時間旅行一度被認為是歪理學說。過去因為擔心有人會把怪人的標籤貼在自己身上，我對這個問題常常避而不談。但現在，我不會再那麼謹小慎微了。事實上，我更像是建造了巨石陣的那些人。我對時間痴迷已久，如果有一臺時間機器，我會去拜訪風華正茂的瑪麗蓮-夢露，或是造訪將望遠鏡轉向宇宙的伽利略。或許，我還會走到宇宙的盡頭，破解整個宇宙湮滅之謎。

為了讓這一切從虛幻變成現實，我們應以物理學家的角度來重新審視時間——即第四維。這個問題沒有聽上去那麼晦澀難懂。每個好學的孩子都知道，任何物體都以三維形式存在，包括坐在輪椅上的我。一切物體都有寬度、高度和長度。此外，還有一種長度——時間的長度。例如，雖然一個人可能活了80歲，但巨石陣的石頭卻數千年屹立不倒。太陽系的運行將持續數十億年。

一切物體都有時間以及空間的長度。時間旅行意味著我們要經過第四維。要想搞明白這一點，我們可以想像正在從事一種日常活動，比如開車。開車沿直線行駛，是在一維中旅行。向左轉或是向右轉，則是二維旅行。驅車上下山路意味著又多增加了高度，所以是在三維空間內。那麼我們怎樣才能實現時間旅行？怎樣才能發現穿越第四維的通道呢？

無處不在的「蟲洞」

讓我們暫時從科幻電影中尋找答案吧。在此類電影中，通常會有一臺巨大而高能耗的時間機器，這臺機器產生通往第四維的通道——「時光隧道」。時光旅行者——勇敢但可能有些魯莽的人，做好我們大家所知道的準備，然後走進時光隧道，來到一個他們想要到達的時間裡。這一概念可能有些牽強，事實可能與之存在著天壤之別，但該想法本身不是那麼的瘋狂。

物理學家們也在思考時光隧道，但我們的角度不同。我們想搞清過去或未來的通道是否存在於自然規律中？事實證明，我們認為確實是這樣的。而且，我們還給它們起了一個名字：蟲洞。其實，蟲洞無處不在，只是因為太小，我們肉眼看不到罷了。蟲洞非常小，存在於時空的隱蔽處和縫隙裡。你或許認為這是一個難以理解的概念，請耐心聽我繼續解釋吧。

任何物質都不是平整無暇和實心的，如果仔細觀察，會發現它們上面都存在小孔和裂縫，這是一個基本的物理原理，同樣適用於時間。即便是像撞球一樣的東西，上面也有裂縫、褶皺或空洞。現在容易說明這種情況也存在於第一個三維中。相信我，這一原理同樣適用於第四維。時間也存在許多微小的裂縫、褶皺和空洞。在最小的刻度下——比分子甚至原子都小，我們來到一個稱為量子泡沫（quantumfoam）的地方，這是蟲洞存在之處。

時空中的微小隧道或捷徑不停地在這個量子世界中形成、消失和重新形成。它們可以連接兩個隔離的空間以及兩個不同的時間。不幸的是，現實生活中這種時光隧道非常狹小，即使發現了它們，我們也不能從這個縫隙穿過——可這正是「蟲洞時間機器」概念的前進方向。部分科學家認為，或許有一天捕捉到一個蟲洞，將它放大數萬億倍，令其足夠的大，能讓人甚至飛船進入。

如果我們擁有足夠的能量和先進的技術，將來或許甚至能在太空中建造一個巨型蟲洞。我並不是說一定可以做到，但如果真的有這種裝置，那麼確實很了不起。一端在地球的附近，另一端則在遙遠的星球附近。從理論上講，蟲洞或時光隧道不僅僅能把我們帶到別的星球。如果兩端在同一個地方，且由時間而非距離分離，在遙遠的過去，飛船就能在地球附近自由出入。或許恐龍會看到飛船登陸的場景。

（本文節選自《黑洞與時間彎曲》，基普.S.索恩著。由「北大物理人」微信平臺授權刊發。）

人物介紹

基普·S·索恩（Kip Stephen Thorne ，1940年6月1日—）是美國理論物理學家，他的主要貢獻在於引力物理和天體物理學領域.很多活躍於相關領域的新一代科學家都曾經過他的培養和訓練。索恩和英國物理學家史蒂芬·霍金，以及美國天文學家、科普作家、科幻小說作家卡爾·薩根保持了長期的好友和同事關係。他目前擔任加州理工學院費曼理論物理學教授，是當今世界上研究廣義相對論下的天體物理學領域的領導者之一。

基普·索恩擔任影片《星際穿越》的科學顧問，《星際穿越》上映前後，「諾蘭的Group」會至少發兩篇論文，一篇黑洞物理，一篇計算機圖形。

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