互动科普

宇宙中存在着虫洞吗？

Newton：有人指出，在宇宙诞生发生大爆炸的时候也许产生过许多虫洞，那么，从那时到现在，还会有虫洞残存下来吗？

索恩：不算极其微小的虫洞，产生出虫洞的可能性是非常低的。

而且，在宇宙中也没有发现有自然起源的奇异物质。虽然知道有一种方法可以制造出极其少量的奇异物质，但是维持虫洞处在开通状态需要大量的奇异物质，那是在宇宙中不可能会有的。

所以，即使在宇宙诞生之时曾经自然产生过虫洞，它们也会立即收缩而瓦解，多半已经全都消失了。

Newton：这种“奇异物质”又是什么？

索恩：这种奇异物质应该具有负能量。这种负能量会产生出一种反引力，使虫洞的“侧壁”互相排斥，从而保持开通状态。

在实验室里可以制造出像“卡西米真空”一类形式的少量奇异物质。可是，维持其大小足以让人穿过的虫洞却需要数量足够多的奇异物质。根据托马斯·罗曼博士和瑞利·福特博士的研究，要制造出如此多的奇异物质在原理上就是极其困难的。

Newton：超新星爆发（恒星临死前的大爆发）可以形成黑洞，那么，是否也有某种天文过程可以形成虫洞呢？

索恩：截至目前也未能确认宇宙中有什么天体能够转变为虫洞。

同时非常遗憾，我们也不知道宇宙可以通过什么方式来自然形成使虫洞维持开通状态必不可少的奇异物质。

图：维持虫洞必须要有“奇异物质”

回到过去的时间机器会在瞬间毁灭

Newton：在发表了1988年那篇指出有可能利用虫洞实现时间旅行的论文之后，博士对于虫洞时间机器的问题肯定又有不少新的思考。能向我们介绍一下吗？

索恩：我的看法确实有改变。在1988年探讨回到过去的时间旅行这个问题时，我只用了广义相对论进行分析，没有考虑量子力学规律的影响。我要搞清楚“考虑到量子力学，结果又会怎样？”这就是我看法的改变。

Newton：将量子力学考虑进来，结论就会有所不同。

索恩：我和金圣恩博士一起研究这个问题得到的结果是，时间机器在完成之时很有可能会自行摧毁。经过其他研究者的研究和我后来进一步的研究，我已经可以得到这样一个结论：时间机器是否会自行毁灭取决于“量子引力的规律”。

Newton：量子引力的规律是将广义相对论和量子力学“融合”在一起的一种理论企图揭示的自然法则，这种理论现在还没有完成。

索恩：我可以简单归纳一下我的观点的演变。先是金博士和我在1990年发现了时间机器自行毁灭的机制。1991〜1992年，就（虫洞）时间机器是否真的会“爆发”而毁灭的问题同史蒂芬·霍金博士进行讨论。接着在1993年，我同意霍金博士的看法，“究竟会发生什么最终取决于今天还不了解的量子引力的规律。”

Newton：这就是说，虫洞时间机器是否会自行毁灭，要等待量子引力理论建立起来以后才能够做出结论。那么，博士现在根据什么认为时间机器在完成的一瞬间就非常可能会自行毁灭呢？

索恩：金博士和我在1990年根据被称为“弯曲时空中场的量子力学”（量子场论）的一套物理学规律进行过理论计算。我们想利用这些物理规律来预测（将量子效应考虑进来之后）在时间机器完成之时会发生什么事情。计算结果出乎意料，回到过去的时间机器一旦完成，那种（穿过虫洞）回到过去的“东西”会立即返回到出发的地点和出发的时刻。

倘若果真如此，那么这种东西便只能要么是以光速移动的光，要么是“真空涨落”。这种东西在时间机器刚一完成便通过它回到了与出发时相同的时刻。于是，这种东西会复制出一个拷贝，变为2个。这个过程重复进行，再增加为4，直至增加到无穷多个。

Newton：这就是说，进行时间旅行会“复制出自身”，而且是无限地复制。

索恩：如果回到过去的是光，由于受到虫洞壁的妨碍，不会无限增殖。在这种情况下时间机器还能够继续存在。

但是，如果回到过去的是真空涨落的话，由于这种涨落能够穿透一切，形成虫洞壁也无妨。在这种情况下，真空涨落一旦出现，就会反复地在时间上回溯，回到原来的地点，使其能量2倍、4倍⋯⋯地增强，最后形成非常强的能量束。

按照我们的计算，时间机器一旦完成，其中能量会连锁式地增加，很快达到极限状态而发生爆发。最终结果究竟如何，我们同史蒂芬·霍金博士进行了多次讨论。霍金博士和我们最后达到共识，“强烈的爆发是否会摧毁机器，仍然不能肯定。”

不能肯定的理由是计算中所用到的物理定律有破绽。这是后来才知道的事情。我们应该将以前用到的那些物理规律全都换成所谓的量子引力规律。可是，关于量子引力的规律现在了解得还很少。

关于回到过去的时间旅行的其他研究

Newton：“真空涨落无限增殖”，这种现象不仅在研究利用虫洞的时间机器时会出现，在研究其他类型的时间机器时大概也会遇到吧。

索恩：是的。不仅利用虫洞制造时间机器是如此，事实上，只要制造（回到过去的）时间机器，不论用什么方法，都会遇到真空涨落无限增殖的现象。这已经在数学上得到了证明。可以说，这是一种十分普遍的现象。关于这个问题，我们在1991年发表过一篇论文。

Newton：这个结论实在令人遗憾⋯⋯

索恩：在其他研究者发表的多篇论文中也有人在研究能够抑制爆发和能够经受住爆发的时间机器。还有人提出了一种能够将爆发规模降低到最小程度的方法，以此来让时间机器安全度过爆发。

Newton：这些大概都是一厢情愿⋯⋯（笑）

索恩：不过，在1996年，芝加哥大学的伯特·沃德博士与他的同事拉勒克·拉什科夫斯基博士和伯纳德·凯博士一起，将时间机器完成时的量子效应考虑进来，进行了非常复杂的计算。计算结果表明，基本上，无论怎样处理都有问题。即使不发生爆发，也必定会出现其他更严重的问题。

Newton：关于实现回到过去旅行的可能性其实有各种各样的看法。

索恩：归纳起来，（关于回到过去的时间旅行究竟是否可能）仍然没有一个明确的答案。不过有不少人认为，“如果找到了能够降低爆发规模的时间机器的设计方案，那么，实现时间机器的可能性就会比索恩当初的估计要高。”

然而从沃德博士的分析来看，在完全认识量子引力的规律之前，大概是不会有结论的。只有认识了量子引力的规律，才有可能知道在时间机器完成之时究竟会发生什么。

Newton：量子引力理论不是一时半会儿就能够完成的。

索恩：关于实现（回到过去的）时间机器的可能性，我今天的看法是悲观的。不过，我倒是非常渴望有这样的时间机器（笑）。如果有可能进行回到过去的时间旅行，宇宙一定会更加有趣和诱人。我虽然悲观，毕竟只是推测而已。要得到确切的答案，还是必须要先搞清楚量子引力的规律。

Newton：史蒂芬·霍金博士提出过一种“时间顺序保护假说”，认为“自然界禁止回到过去的时间旅行”。对于这个问题，博士有什么看法？

索恩：霍金博士的观点极有可能是正确的，但是这并不是答案。霍金博士也指出过，制造回到过去的时间机器，必须要有像奇异物质这样的物质。不论利用虫洞还是采用其他什么方法，这种奇异物质都是必不可少的。

何况时间顺序保护假说并没有被确实证明。我想霍金博士也会同意我的这种说法。虽然我们两人都对实现回到过去的时间旅行持悲观态度，但是我倒是希望我的看法是错误的（笑）。

（本文发表于《科学世界》2012年第5期）