作為愛因斯坦廣義相對(duì)論一個(gè)推導(dǎo)結(jié)果，蟲洞不僅給我們提供了穿越星際的便捷途徑，而且還可能變成時(shí)間機(jī)器允許我們回到過去。
“人類誕生在地球上。這從不意味著要滅亡于此?！?/p>
在很久的未來，農(nóng)作物無法種植使得地球不再適宜居住。而人類將不得不穿越星際，去深空之中尋找新的家園。
上面所說的是2014年的科幻電影《星際穿越》所講述的故事。不過在現(xiàn)實(shí)中，離開太陽系進(jìn)入星際空間其實(shí)非常困難。舉例來說，太空探測器旅行者1號(hào)在1977年升空，到現(xiàn)在它才抵達(dá)太陽系的邊緣。
那么有沒有便捷途徑呢？愛因斯坦的廣義相對(duì)論給了我們希望，其理論所預(yù)言的蟲洞就是通往星際空間的便捷通道，而該片中的宇航員就是利用蟲洞來實(shí)現(xiàn)星際穿越的。
廣義相對(duì)論是愛因斯坦研究時(shí)空與引力關(guān)系的理論，它革新了牛頓時(shí)代的靜止時(shí)空觀，認(rèn)為時(shí)間和空間并不是靜止不變的，而是可以變化和彎曲的。令愛因斯坦沒想到的，相對(duì)論不僅引起了我們時(shí)空觀的一場革命，而且預(yù)言了宇宙中一系列奇異事件或現(xiàn)象——宇宙大爆炸、時(shí)間旅行、暗能量、以及黑洞和蟲洞。我們可以說，這些新發(fā)現(xiàn)是屬于廣義相對(duì)論的，屬于愛因斯坦的。
蟲洞究竟是什么樣子？
1935年，愛因斯坦與他的好友、美籍以色列裔物理學(xué)家納森·羅森，在研究引力場方程時(shí)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于彎曲時(shí)空來說，在理論上可以有一個(gè)連接宇宙中兩個(gè)遙遠(yuǎn)地點(diǎn)的捷徑。這就像一座山的兩端可以通過隧道進(jìn)行連接一樣。
但宇宙中的蟲洞可不像山底的隧道那么容易開鑿，自從蟲洞這個(gè)概念提出幾十年來，頂尖的理論物理學(xué)家們對(duì)其的探討仍然是紙上談兵階段，不像宇宙大爆炸、黑洞這樣的現(xiàn)象已經(jīng)被觀測所證實(shí)。不過，隨著思考的日益深入，關(guān)于蟲洞的細(xì)節(jié)逐漸豐富起來。
假設(shè)宇宙中有一個(gè)蟲洞，它會(huì)是什么樣子呢？其實(shí)非常簡單。它有兩個(gè)洞口，例如有一個(gè)在地球附近，另一個(gè)在約26光年遠(yuǎn)的織女星附近。兩個(gè)洞口通過在高維空間中延伸的隧道相連。這個(gè)隧道可以非常短，例如只有1千米，所以如果我們通過蟲洞從地球抵達(dá)織女星，我們就可把路途從26光年縮減為1千米。所以說，蟲洞可以成為宇宙中的快捷通道。
具體的模樣如下圖所示。注意這里是把我們的宇宙空間畫成了二維而不是三維。這種把三維鑲嵌到二維上的圖示被物理學(xué)家稱為鑲嵌圖。我們并不太清楚現(xiàn)實(shí)中宇宙是否會(huì)像圖中那樣彎曲，不過只有這樣蟲洞才可能縮短旅途的距離。
雖然蟲洞可以縮短旅途的距離，但并不是超越了光速。例如，你通過蟲洞從地球抵達(dá)織女星，很顯然比穿過蟲洞外的時(shí)空抵達(dá)的光線還要快，但是你在穿越蟲洞時(shí)相對(duì)蟲洞的速度是不能超過光速的。
另外，蟲洞并不總是縮短時(shí)空的距離，有時(shí)洞內(nèi)的路程會(huì)大于洞外的路程。如下圖。
在現(xiàn)實(shí)的三維空間中，蟲洞看起來并不像一個(gè)隧道或一座橋，因?yàn)槟阒荒芸吹剿亩纯?，而它的隧道是在四維空間里延伸，你無法直接看到隧道的模樣。其中，洞口看起來像一個(gè)巨大的玻璃球，如下圖：
蟲洞不是黑洞
在上面圖中，你可以很明顯地看到洞口的邊界（箭頭所示）。注意這里的任何光都不是來自蟲洞本身。其中，邊界外的邊緣扭曲的圖像是蟲洞的洞口扭曲了周邊星系傳播過來的光線。這種現(xiàn)象被稱為引力透鏡。邊界內(nèi)則是洞口另一端的宇宙?zhèn)鞑ミ^來的扭曲圖像。
許多人都認(rèn)為蟲洞不過是另一種黑洞而已，但這種觀點(diǎn)是錯(cuò)的。其中的一個(gè)區(qū)別是，黑洞都有一個(gè)事件視界（一種任何物質(zhì)進(jìn)去之后有去無回的邊界），而并不是每個(gè)蟲洞都具有事件視界。有一些蟲洞具有事件視界，但并不是像黑洞那樣是因?yàn)榇嬖谝粋€(gè)密度無窮大的奇點(diǎn)，而是因?yàn)橄x洞的隧道內(nèi)引力引起的潮汐力過于強(qiáng)大。蟲洞和黑洞另一個(gè)區(qū)別是，蟲洞有兩個(gè)洞口并通過一個(gè)隧道相連，而黑洞只有一個(gè)洞口，洞口的盡頭是一個(gè)死胡同，任何物質(zhì)掉進(jìn)黑洞都會(huì)最終撞上內(nèi)部的奇點(diǎn)。
下面的圖示簡要地表明了蟲洞和黑洞之間的差別。圖中的白線代表普通的時(shí)空，紅線代表黑洞內(nèi)部的時(shí)空，其中的紅點(diǎn)代表奇點(diǎn)。
不止一種蟲洞
另外很重要的事實(shí)，是蟲洞不只有一種。一種分類蟲洞的方法是蟲洞的隧道是否是基本穩(wěn)定的，還是不穩(wěn)定的（例如隧道不斷地開啟然后閉合）。第二種分類方式是，需要多少物質(zhì)才能創(chuàng)造出生成蟲洞的引力場，一種只需要行星質(zhì)量的，而有一些需要好幾倍恒星質(zhì)量。另外，蟲洞隧道的潮汐力的大小也是一種分類蟲洞的辦法。
接下來的我們來闡述兩種蟲洞。一種是史瓦西蟲洞，它是一種不穩(wěn)定的蟲洞。另一種是穩(wěn)定的蟲洞，它允許物質(zhì)穿過它，所以也可以說是一種可穿行的蟲洞。
不同的時(shí)空與史瓦西蟲洞
物理學(xué)家首先提出來的蟲洞是史瓦西蟲洞，它是廣義相對(duì)論中愛因斯坦方程其中一個(gè)解的產(chǎn)物。
在研究愛因斯坦方程的過程中，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)除了時(shí)空中存在黑洞以外，還必須存在白洞。而白洞正好是黑洞的時(shí)間反演，里面的任何物質(zhì)都會(huì)向外運(yùn)動(dòng)，穿過它的邊界（也稱為事件視界）之后就再也無法回到內(nèi)部。除了黑洞和白洞這兩個(gè)時(shí)空區(qū)域，還得有另外兩個(gè)彼此完全隔離的時(shí)空區(qū)域，稱為兩個(gè)不同的“宇宙”。這兩個(gè)宇宙與黑洞和白洞的關(guān)系如下：白洞中的任何粒子和信號(hào)都可以進(jìn)入這兩個(gè)宇宙，但都無法返回到白洞里；兩個(gè)宇宙中的任何粒子和信號(hào)都可以進(jìn)入黑洞，但都無法在從黑洞中逃離，只能撞上黑洞內(nèi)的奇點(diǎn)上；兩個(gè)宇宙彼此完全隔離，也就是它們之間沒有任何信息可以交流。所有四個(gè)區(qū)域可以由下左的時(shí)空圖來表示。
下左的時(shí)空圖是在一種特殊坐標(biāo)系下的時(shí)空圖，圖中的每一個(gè)點(diǎn)代表著一個(gè)二維球面。兩條對(duì)角線代表事件視界，它們把時(shí)空分成了四個(gè)區(qū)域：I和IV分別代表兩個(gè)彼此隔離的宇宙，II代表黑洞，III代表白洞。奇點(diǎn)出現(xiàn)在黑洞和白洞區(qū)域，以雙曲線的形式表示。（你可能注意到了白洞內(nèi)部也有個(gè)奇點(diǎn)，這個(gè)很好理解：許多物理學(xué)家認(rèn)為宇宙大爆炸其實(shí)就是一個(gè)白洞，而奇點(diǎn)就是大爆炸之前的那個(gè)密度無窮大的點(diǎn)。）
一個(gè)白熱的物質(zhì)環(huán)圍繞著黑洞形成一個(gè)球形的大渦流，看起來好像在上面和下面同時(shí)彎曲過來。這是影片《星際穿越》中所呈現(xiàn)出的黑洞，它正以接近光速的速度進(jìn)行著旋轉(zhuǎn)，同時(shí)其巨大的引力拖拽著周圍的時(shí)空并一起運(yùn)動(dòng)。而這幅黑洞的影像可以說很接近現(xiàn)實(shí)。
幾乎不可能的電腦特效
2014年底上映的好萊塢科幻大片《星際穿越》，講述的是一隊(duì)探險(xiǎn)家利用新發(fā)現(xiàn)的蟲洞，在廣袤的宇宙中進(jìn)行星際航行的故事。
關(guān)于黑洞和蟲洞，我們在數(shù)學(xué)上、或者在科普寫作中都有了很多表達(dá)，但基于科學(xué)理論的、直觀的影像呈現(xiàn)，這部影片是第一個(gè)嘗試的。為了保證銀幕上黑洞和蟲洞的真實(shí)性，影片制作方請來了大名鼎鼎的黑洞和蟲洞研究專家基普·索恩作為科學(xué)顧問。
電影制作者所提出的故事是在一個(gè)遙遠(yuǎn)的未來，氣候變化影響到農(nóng)業(yè)，大部分農(nóng)作物無法種植，地球上只剩下玉米一種糧食可以種植，人類處在滅絕的邊緣。一位退役的宇航員被征召來進(jìn)行最后一次的飛行，一個(gè)不顧一切的嘗試，去尋找新的可適宜居住的星球來拯救人類的命運(yùn)。
然而我們都知道，其他的恒星離地球都非常非常遠(yuǎn)，距離最近的比鄰星離我們大約有4.22光年，而遠(yuǎn)的可達(dá)數(shù)百億光年。即使以接近光的速度去抵達(dá)比鄰星，都要花費(fèi)好幾年的時(shí)間，更遑論其它星球？那么，怎樣才能實(shí)現(xiàn)真正的星際旅行呢？其實(shí)早在1983年，著名科普作家卡爾·薩根所寫的小說《接觸》（后來拍成了電影《超時(shí)空接觸》）就面臨著同樣的問題，當(dāng)薩根把這個(gè)困惑告訴好友索恩時(shí)，索恩認(rèn)為人類真要想進(jìn)行星際旅行，只能走捷徑、抄近道，他建議可以利用蟲洞，一個(gè)通過高維時(shí)空來連接宇宙中兩個(gè)點(diǎn)的假想的快捷通道。
如今，《星際穿越》中的宇宙航行仍然需要蟲洞。不過這次，作為《星際穿越》執(zhí)行制片人的索恩得需要幫助電影制作者們解決一個(gè)很具體的難題——如何科學(xué)準(zhǔn)確地在銀幕上呈現(xiàn)出蟲洞。
這并不是電影特效團(tuán)隊(duì)所頭疼的唯一物理學(xué)問題?！缎请H穿越》的故事是基于時(shí)間膨脹效應(yīng)——時(shí)間對(duì)于不同角色來說流逝的速度不一樣。為了使電影中時(shí)間膨脹效應(yīng)變得更加科學(xué)合理，索恩認(rèn)為需要一個(gè)大質(zhì)量的黑洞——在電影里被叫做“卡岡圖雅”——并以接近光速來旋轉(zhuǎn)。作為這部影片的導(dǎo)演，克里斯托弗·諾蘭完全不知道黑洞是什么樣子。好在有索恩的幫助，《星際穿越》呈現(xiàn)出了一個(gè)與現(xiàn)實(shí)十分接近的蟲洞和黑洞。
極為壯美的蟲洞和黑洞
《星際穿越》擁有一個(gè)超過30名電腦專家的電腦特效團(tuán)隊(duì)，這個(gè)團(tuán)隊(duì)的帶頭人富蘭克林曾獲得過奧斯卡最佳視覺效果獎(jiǎng)?，F(xiàn)在為了制作出完美的銀幕效果，他們搬來了數(shù)千臺(tái)電腦，在索恩的指導(dǎo)下，開始了黑洞和蟲洞的銀幕制作。
蟲洞和黑洞的呈現(xiàn)都跟其附近光的彎曲有關(guān)，因?yàn)楹诙春拖x洞都具有巨大的引力，經(jīng)過其附近的光線不可避免發(fā)生彎曲。以前的電影制作人通常用一種被稱為“光線跟蹤”的技術(shù)來處理宇宙科幻大片中的光線和反射，但這種光線跟蹤軟件通常的合理假設(shè)是光線總是走直線的，而黑洞和蟲洞，是宇宙中的極端現(xiàn)象，光線是要走彎路的。因此，電腦特效團(tuán)隊(duì)不得不重新編譯一個(gè)新的渲染軟件，他們請求索恩算出一些方程來使得他們的特效軟件如同真實(shí)的物理定律那樣描述世界。
索恩把答案給了富蘭克林，不過是以大量的研究備忘錄形式給了他們。文章十分長，來源詳實(shí)，充滿了公式，它們看起來更像學(xué)術(shù)論文。電腦特效團(tuán)隊(duì)根據(jù)這些公式編寫進(jìn)新的渲染軟件里，然后開始去“紡織”出蟲洞。當(dāng)結(jié)果呈現(xiàn)出來后，它看起來像一個(gè)在宇宙映照出的水晶球，一個(gè)時(shí)空中的球形洞。
在成功地表現(xiàn)出蟲洞之后，特效團(tuán)隊(duì)準(zhǔn)備嘗試用同樣的辦法去處理黑洞。但是黑洞如同它的名字一樣，是光線的末日——所有的光線都會(huì)被黑洞吞噬。連光線都沒有了，如何才能生動(dòng)地呈現(xiàn)出黑洞？事實(shí)上，一個(gè)最普通的黑洞看起來就像一個(gè)漆黑的盤子，唯一有趣的地方是它扭曲了周圍星空的背景圖像。諾蘭十分希望特效團(tuán)隊(duì)能把黑洞是球形的體現(xiàn)出來，富蘭克林想到，可以把黑洞套上一個(gè)吸積盤（一種由彌散物質(zhì)組成的、圍繞黑洞轉(zhuǎn)動(dòng)的盤狀結(jié)構(gòu)）。
根據(jù)索恩的公式，特效團(tuán)隊(duì)嘗試著做了一個(gè)不太準(zhǔn)確的樣本。他們制作了一個(gè)水平的多彩光環(huán)——一種類似吸積盤的圖像，然后把它放在電腦里的旋轉(zhuǎn)黑洞上。一個(gè)非常非常奇怪的事情發(fā)生了——在根據(jù)數(shù)學(xué)方程精心制作出來的軟件中，黑洞周圍彎曲的空間同時(shí)也彎曲了吸積盤，光線產(chǎn)生了以個(gè)非同尋常的光圈。
最終的效果終于出來了：當(dāng)光線被困在黑洞周圍時(shí)，在黑洞的黑影周圍產(chǎn)生令人意想不到的復(fù)雜圖案——白熱的吸積盤出現(xiàn)在黑洞的上面、下面和前面，它看起來就像是一個(gè)碟子，那是星光彎曲造成的圖像（見上圖）。
基普·索恩看了看在他幫助下制造出的黑洞，然后想了想說，“那就對(duì)了，那就是它該有的模樣?！彪娪疤匦ё罱K呈現(xiàn)的圖像，正是索恩所認(rèn)為的最真實(shí)的黑洞圖像，而對(duì)于那些《星際穿越》的觀眾來說，他們看到電影中的這些影像——蟲洞、黑洞以及怪異的光線后，會(huì)說，“哇噢！那個(gè)真美?！?/p>
是的，它們不僅美麗，而且還很真實(shí)。
為藝術(shù)而做的妥協(xié)
最后，我們要強(qiáng)調(diào)一下，盡管《星際穿越》里的黑洞是很真實(shí)地展現(xiàn)出來了，但嚴(yán)格來說并不是真正的精確。事實(shí)上一些其他的效應(yīng)被忽略了。如果把它們都考慮進(jìn)去的話，旋轉(zhuǎn)黑洞的吸積盤的一側(cè)會(huì)更亮且呈現(xiàn)藍(lán)色，另一側(cè)則更暗且呈現(xiàn)紅色。最終，吸積盤看起來很不對(duì)稱。但是電影特效團(tuán)隊(duì)認(rèn)為這可能會(huì)導(dǎo)致廣大電影觀眾一頭霧水，而且缺乏震撼性，所以為了藝術(shù)性，他們忽略了這個(gè)效應(yīng)。
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