虫洞，不止是科幻

撰文丨布伦丹·福斯特（Brendan Foster）

翻译丨李诗源

审校丨杨心舟

在人们开展黑洞研究的早期，甚至“黑洞”一词还未诞生之时，物理学家还并不知道这些奇怪的物体是否真的存在于现实世界中。在当时，用于描述引力的广义相对论刚刚兴起，而黑洞本可能只是该理论复杂数学过程中奇怪的一部分。不过这些年来，越来越多的证据表明黑洞确实是真实存在的天体，而且甚至就存在于银河系当中。

寻找虫洞

如今，人们还难以判定广义相对论所预言的另一种奇怪天体——虫洞——是否存在。虫洞是可以通向宇宙另一侧的神奇隧道，但它们真的存在吗？如果虫洞就存在于我们的宇宙中，那么人类是否可以寄希望于利用它们畅游宇宙？

1935年，就有人预言虫洞存在，但是在此之后的研究似乎指向了否定的答案——虫洞看起来不太可能是真实存在的。然而最新的研究提供了一些关于虫洞如何产生的线索，而且这一过程可能比物理学家长期以来所想的要更简单。

虫洞的概念最早由物理学家阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）和内森·罗森（Nathan Rosen）提出。他们曾研究了一些奇怪的方程，并思考这些方程究竟代表了什么，而如今我们已经知道这些方程描述的是一种叫做“黑洞”的、无法逃离的一小块空间。爱因斯坦和罗森发现，至少在理论上，黑洞的表面可能成为连接另一片空间的桥梁。这种旅行可能就像你沿着浴缸的下水管道走，出来之后来到另一个和之前一样的浴缸中，而不会卡在管道里。

后来的研究工作拓展了这一想法，但是却遇到了两个始终无法克服的难题：虫洞十分脆弱和微小，这导致容易被发现且可以被人类利用的虫洞很难形成。首先，根据广义相对论，穿过虫洞的任何普通物质的引力作用都会牵拉并关闭这一隧道。形成稳定的虫洞需要某种额外的、非典型的成分，以保持虫洞开放，研究人员将其称为“奇异”物质。

其次，科学家们所研究的虫洞形成过程依赖于一种特殊效应，它让宏观世界的旅行者无法进入其中。因此，研究虫洞的难点在于，生成虫洞的过程和稳定虫洞的奇异物质不能偏离人们所熟悉的物理学理论太远。

“奇异”并不意味着物理学家们可以在纸上随便空想出一种可以实现这项功能的东西。但是迄今为止，人们根据熟悉的物理学理论只能构想出微观尺度的虫洞。要想产生更大的虫洞，似乎还需要一种既不寻常又可信的过程或者物质。“这就是棘手之处。”布兰迪斯大学的物理学家、虫洞研究者布里安娜·格拉多-怀特（Brianna Grado-White）说。

突破性进展

2017年，虫洞研究取得了突破性进展，哈佛大学的高苹、丹尼尔·贾弗里斯（Daniel Jafferis）和新泽西州普林斯顿高等研究院的阿伦·沃尔（Aron Wall）发现了一种利用量子纠缠（量子实体之间的一种长距离联系）来实现可持续开放虫洞的方法。

纠缠态的奇怪性质使其可以提供维持虫洞稳定性所需的奇异物质。而由于纠缠是量子物理学的标准特征，因此这一状态相对来说比较容易产生。“这确实是一种美妙的理论想法。”英国杜伦大学的物理学家纳比尔·伊克巴尔（Nabil Iqbal）说道，他并未参与此项研究。

伊克巴尔和他在杜伦大学的同事西蒙·罗斯（Simon Ross）在一项预印本研究中提出了一种容易想象虫洞的方法。两位科学家想要探究是否能用高-贾弗里斯-沃尔方法制造出一个大型虫洞。

他们的工作从理论上提出，黑洞周围磁场内受到的特殊扰乱是如何导致稳定虫洞产生的。遗憾的是，这一效应依然只能生成微观的虫洞，而且伊克巴尔还说，这种情形几乎不可能出现在现实中。

伊克巴尔和罗斯的工作突出了虫洞构造过程中棘手的一环：找到一种可以实现的过程，而且这一过程不需要超出人们熟知的物理学理论太多的额外条件。普林斯顿高等研究院的物理学家胡安·马尔达西那（Juan Maldacena）曾于2013年指出虫洞和量子纠缠之间存在联系，他和他的合作伙伴、普林斯顿大学的阿列克谢·米列欣（Alexey Milekhin）发现了一种可以产生大型虫洞的方法。

他们方法的难点在于要求充满宇宙的暗物质表现出一种特定的行为，但是我们生存的宇宙中不太可能出现这样的情况。“我们可以用的方法很有限，”格拉多-怀特说，“为了要让事情看起来和我们需要的一样，这些方法能做到的也并不多。”

虫洞研究的热潮还未退去。目前看来，人们还不可能定制出人体尺度的虫洞机器，但是研究确实取得了一些进步。“我们了解到，实际上利用简单的量子效应便可以制造能保持开放的虫洞，”格拉多-怀特说，“长期以来，我们认为不可能制造出这样的东西，但结果表明是可以的。”

https://www.scientificamerican.com/article/wormhole-tunnels-in-spacetime-may-be-possible-new-research-suggests/