虫洞

穿过空间的隧道：怎样让它保持敞开，以及它会是什么样

这是一个假想：物理在纸面上允许它存在，但从没有人见过。所展示的一切都遵循现有理论。

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穿过空间的捷径

虫洞是一条穿过空间、连接两个遥远地方的隧道。广义相对论允许这种形状，但从来没有人见过一个。从外面看，它像一个里面装着另一片天空的球。

爱因斯坦的引力方程并不禁止它。1935年爱因斯坦和罗森找到了连接空间两个区域的“桥”，1957年米斯纳和惠勒把这样的隧道称为虫洞，取自虫子在苹果皮上两点之间蛀出的捷径。

这是可以穿过的最简单的一种，由霍默·埃利斯和基里尔·布龙尼科夫于1973年发现。它有形状却没有拉力：里面没有什么会拖拽或拉伸你。它最窄的部分，喉部，是一个球面，两侧的空间平坦地展开。

这幅图中的每一束光，都是按广义相对论所说，沿虫洞的几何结构追踪的。虫洞本身是理论：天空中看到的一切都没有表明存在一个。

两个洞口，一个喉部

角落里的图是一个常见的技巧。为了展示空间怎样弯曲，去掉一个方向，剩下的画成一个曲面，曲面上的每个点代表空间中的一个圆。这个虫洞的曲面是悬链面，也就是肥皂膜在两个圆环之间形成的形状：中间最窄，向两侧展开成平坦的空间。

金色的点是你。多出来的方向只是画图的辅助；理论中没有什么要求空间弯向它。一个数决定了虫洞的大小，即它喉部的半径，其他一切看起来如何都由它决定。基普·索恩和克里斯托弗·诺兰为《星际穿越》的虫洞选了1千米。

远离喉部时，隧道几乎没有影响：那里球面的面积几乎与平坦空间中一样。所以从远处看，每一端就像带一个圆洞的普通空间。

是什么让它保持敞开

如果放任不管，这样的隧道会在任何东西穿过之前就闭合。莫里斯和索恩在1988年证明，只有负能量的物质才能让它保持敞开。它用紫色画出。

普通物质让引力吸引。要让喉部保持敞开，那里的引力必须向外推，这需要能量低于零的物质，称为奇异物质。它得填满喉部周围的空间，中间最稠密，随距离变稀。

最先发现的隧道，爱因斯坦–罗森桥，其实是从两侧看到的黑洞，它们收缩得比光穿过的速度还快，正如富勒和惠勒在1962年所证明的。莫里斯和索恩在1988年把问题倒了过来：选定你想要的隧道，再算出什么必须填满它。

这个问题来自一部小说。卡尔·萨根在写《接触》时，请索恩想一个办法，让女主角不违反物理学也能穿越银河系，索恩和他的学生迈克·莫里斯用虫洞作了回答。紫色光晕是画出来的：没有人知道这样的物质会怎样排布。

负能量

1948年，亨德里克·卡西米尔预言，真空中靠得很近的两块不带电的金属板，会因为改变了真空的量子涨落而被推向彼此。它们之间的能量密度低于零。拉莫罗在1997年测量了这个推力，莫希丁和罗伊在1998年把精度做到了百分之一。

它是真实的，但很微小。间隙为一微米时，密度约为每立方米−4 × 10⁻⁴焦耳。半径1千米的虫洞在喉部需要约−5 × 10³⁶，总共需要约一个太阳质量的负能量：喉部半径每一米，大致相当于一个木星的质量。

量子理论还限制了能聚集多少负能量、能维持多久，福特和罗曼在20世纪90年代证明了这一点。自然是否允许物质这样排布，目前未知，它也可能干脆禁止。

让喉部长大

惠勒提出，在最小的尺度上，接近1.6 × 10⁻³⁵米的普朗克长度，空间并不光滑，而是起泡沫，气泡和把手不断打开又闭合。其中一些把手就是虫洞，小得无关紧要，转瞬即逝。

莫里斯和索恩，以及后来的马特·维瑟，想过一个远超我们的文明能否捕获一个并把它膨胀起来。没有已知的过程能做到。一个较新的想法叫ER=EPR（马尔达塞纳和萨斯坎德，2013），说彼此纠缠的两个粒子由一个微小的虫洞相连；这是一个猜想，不是结论。

2022年，谷歌的量子计算机运行了一个虫洞行为的模型（贾费里斯等，发表于《自然》）：从一端送入的信号从另一端出来，正如理论所说。但那是在几个量子比特上对量子引力的一个简化玩具模型的模拟。没有任何空间被刺穿。

配方，依次为

1. 抓住一个极小的虫洞。在普朗克长度1.6 × 10⁻³⁵米处，空间可能像惠勒1955年猜想的那样，冒出微小的“把手”如泡沫，或者纠缠的粒子可能由虫洞相连（ER=EPR，2013）。没有任何迹象表明其中任何一个是能被抓住的东西。

3. 用奇异物质填满它。喉部需要约一个太阳质量的负能量，大部分围绕在喉部四周：约为卡西米尔效应密度的10⁴⁰倍，排布方式是任何已知物质都不具备的。

4. 让它保持稳定。新开和海沃德2002年证明，受扰动的喉部要么坍缩成黑洞，要么膨胀炸开，所以需要主动控制。每一步都是数学提出的要求，而不是机器。

它会是什么样

从外面看，它会是一个装着别处天空的球。它没有会吸引的质量，但它的形状会弯折光线：它后面的星星被推得分开，而在它的边缘，远处的天空被压成细而明亮的圆环。

光在弯曲的空间中走最短的路径。对准喉部正中的光线径直穿过；刚好擦过边缘的光线绕着它弯曲，有些在离开之前绕了一圈又一圈。这幅图按广义相对论所说追踪每一束光线。《星际穿越》背后的团队做的是同样的事（詹姆斯等，2015）。

虫洞的负能量会像一面把光推开的透镜。1995年，克拉默及同事提出，一个从遥远恒星前面经过的虫洞，会让它以任何普通质量都产生不了的模式变亮。搜寻没有发现任何东西。

另一片天空是画出来的：那一端可能开在任何地方。这里它是另一个星系，以便区分两片天空。

飞穿而过

对准中心，你就径直穿过。前方，另一片天空的球张开，直到无所不在。在喉部，你周围一半的天空是这个地方，一半是那个地方。没有东西拉你。

在这个虫洞里没有东西拖拽你：它几乎没有引力，也没有在黑洞附近会拉伸你的潮汐。你只会注意到天空在变化。喉部是视野分开的地方：一半是你离开的地方，一半是你要去的地方。

靠近时请留意球的边缘。擦过喉部的光在到达你之前会绕它转好几圈，所以同样的星星的光环重复出现，越来越细，一环套着一环。这里的飞行经过了加速。

以客机的速度，大约每秒250米，你会在四秒内走完喉部之前的最后一千米。穿过的感觉更像换了一个场景，而不是坠落。

另一边

从远端出来后，转过身来：你来的地方现在成了身后的一个天空球。虫洞有两个洞口，从各自一侧看都一样。

远端的洞口同样圆、同样小。从那里看，你离开的洞口是一个装着我们一块天空的球，以同样的方式弯曲。没有什么能告诉你哪一端是哪一端。

远端洞口在哪里，是虫洞自己的事。它可能就在隔壁，在银河系的另一边，或者像有些人设想的那样，在另一个宇宙：方程没有说。这正是这个想法的要点。沿隧道的距离与外面的距离毫无关系，所以一条短隧道可以连接相距数光年的地方。

时间机器？

带着一个洞口作一次快速的往返旅行，它的钟就会落后于另一个；穿过去，你会出现在更早的时候。莫里斯、索恩和尤特塞弗在1988年证明了这一点。霍金在1992年论证自然会阻止它。

对接近光速运动的东西，时间流得更慢。带着一个洞口作一次快速的往返旅行，再把它带回到另一个旁边，它们的钟现在就相差旅行省下的那段时间。两个洞口在不同的时间，却在同一个地方。

从较晚的洞口进去，就从较早的洞口出来：一条回到过去的路，以及一个你可能遇到自己的回路。这就是闭合类时曲线，时间旅行故事所需要的东西。莫里斯、索恩和尤特塞弗在1988年指出，虫洞一旦造出，就可以变成这样一个东西。

史蒂芬·霍金在1992年提出了他的时序保护猜想：真空的量子涨落会在机器刚好变得可能时堆积起来，无限增大，先摧毁虫洞。迄今的计算与此相符，但没有人有完整的证明。

有人见过吗？

没有。人们在星光中、在引力波中、在我们星系的黑洞附近寻找过虫洞，每一次搜寻都空手而归。它依然是广义相对论允许的一个想法，而不是我们知道存在的东西。

透镜效应的搜寻没有发现任何一颗像虫洞应有的那样变亮的恒星。两个黑洞并合时，在它们位置上的虫洞会发出引力波回波；在LIGO、Virgo和KAGRA数据中的搜寻没有发现令人信服的迹象。

事件视界望远镜拍摄的M87和我们自己星系中黑洞的图像与黑洞相符。它们还不能排除所有其他可能，但其中没有什么需要虫洞。

所以虫洞仍然停留在它起步的地方，在方程之中。但它教给我们的东西依然是真实的：空间可以怎样被塑造，以及可能的事物有多少被对负能量的需求所限制。

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