看《星际穿越》前，脑补黑洞、虫洞与时空旅行

电影《星际穿越》中的黑洞（上)和虫洞(下)

        在电影《星际穿越》中，男女主角在靠近黑洞的行星上，呆了几个小时，回到飞船上发现已经过了二十几年，这种情况可能出现吗？通过虫洞可以完成时间、空间旅行吗？在观影之前先了解下黑洞、虫洞、时空旅行是怎么回事吧。

一旦接近黑洞，就会被潮汐力撕得粉碎

        简单来说，黑洞是宇宙中有着强大引力的超高密度天体，任何物质只要超过黑洞外围的“视界”，都将被吸入黑洞，并且有去无回。

        “黑洞”最早被科学家提出时还不叫“黑洞”。1783年，剑桥的学监约翰·米歇尔进行了一项论证：如果有个人垂直向上射出一个粒子，比如炮弹，它的上升将被引力所减缓，而且这个粒子最终将停止上升并落下。然而，如果初始向上的速度超过“逃逸速度”（对地球而言，“逃逸速度”大约为每秒12千米，对于太阳则大约为每秒100千米）的临界值，引力将不够强大到足以停止该粒子，它将飞离远去。光速大约是每秒300000千米，光可以从地球或太阳轻而易举地逃逸。

        约翰·米歇尔论断，可以存在比太阳更大质量的恒星，其逃逸速度超过光速，因此任何光都可以被这些恒星的引力拖拽回去，在那种情况下，连光线都看不到。米歇尔将这样的情况叫做“暗星”，就是我们现在叫做“黑洞”的东西。

        “米歇尔暗星”的思想是基于牛顿物理学，牛顿理论中的时间是绝对的。在广义相对论中情形就非常不同，大质量物体可以使时空弯曲。但是，在很长一段时间里，大多数物理学家，包括爱因斯坦都很怀疑，物体如此极端的形态是否真的在实际的宇宙中发生过。爱因斯坦本人从不相信黑洞，而且大多数广义相对论的元老都认同他的态度。

        1916年，德国天文学家卡尔·施瓦兹席尔德揭示了广义相对论中的一个令人吃惊的含义，他指出，如果恒星质量被集中在足够小的区域，恒星表面的引力场就会变得非常强，连光都不能逃逸，它是时空中以“事件视界”为界的区域。在这个区域，观察者看不到任何东西，包括光。卡尔·施瓦兹席尔德的发现，在当时并没有得到理解和重视。

        霍金在《果壳中的宇宙》中提到：“我还记得有一次去巴黎做学术报告，那是关于我发现的量子理论意味着黑洞不是完全黑的。我的学术报告彻底失败，因为那时在巴黎几乎无人相信黑洞。”

        直到1963年，3C273类星体的发现引发了大量有关黑洞的理论研究及检测它们的观察尝试。3C273类星体是第一个被发现的类恒星无线电源，在一个小区域内产生了大量的功率。物质落入“黑洞”，似乎是能够解释这么高亮度的唯一机制。

        霍金说，这类恒星是由诸如猎户座星云中的那些气体形成的，当气体云在自身的引力下收缩时，气体被加热上去，并且最终热到足以开始热聚变反应。大质量的恒星把它们的氢燃烧成氦，氦又燃烧成诸如碳和氧等更重的元素，但是这些核反应不会释放出大量能量。这样，恒星失去支持自身对抗引力的热量和热压力，它们开始变得更小，不停地收缩，最终坍缩成零尺度和无限密度，从而形成奇点。当恒星达到一定的临界半径，光线将在恒星常距离处逗留，永远不能离开。光线的临界轨迹掠过的表面称作“事件视界”，它把时空中的光线隔离成能够逃逸的区域和不能逃逸的区域，从它表面发射的任何光线都将被时空曲率向里面弯曲，恒星就成为一个“米谢尔暗星”。

        1969年，美国物理学家约翰·阿奇巴尔德·惠勒为物体的坍缩状态撰写了“黑洞”这个术语，并激发了这个领域中的大量现代研究。

        霍金在《果壳中的宇宙》中的理论说明，一个落进黑洞并撞到奇点上去的航天员的时间，将会终结。当宇航员着陆在一颗正在坍缩的恒星上时，在这个恒星表面的时间就将缓慢下来并最终停止。

        因此《星际穿越》中的情节设置有一定的理论基础。不过这仅仅是物理学上的理论。人类要真正做到这些，暂时没有可能。上海交通大学物理与天文系王斌教授告诉澎湃新闻（www.thepaper.cn），“接近黑洞，就会被黑洞的潮汐力撕得粉碎，任何东西都不例外。男女主角在靠近黑洞的行星上，这个靠近的概念是多远的距离？就算靠近黑洞到可以感受到黑洞的作用，一旦越过视界，你也就无法再返回。”

虫洞停留在思想实验阶段，宇宙中还没找到

        时空旅行是科幻电影中常设的情节。《星际穿越》中的主角们就经历了虫洞这个时空隧道，那么虫洞是什么呢？“简单地来说，可以把虫洞理解为连接不同空间的桥梁，你可以通过虫洞瞬间进入另一空间，甚至回到过去的时间”，王斌说。

        物理学家基帕·索恩在《黑洞与时间弯曲》中说了一件趣事。1985年，基帕·索恩多年的老朋友卡尔·萨根打来的电话，卡尔·萨根写了一本小说，因为恐怕将某些物理原理弄错，希望基帕·索恩确认一下。在卡尔·萨根的小说中，女主角落进了地球附近的一个黑洞，然后穿越了空间，1小时后出现在26光年远的织女星旁。

        通过黑洞穿越显然是不可能的，除了被黑洞摧毁没有别的下场。基帕·索恩脑海中闪过一个念头：可以把黑洞换成穿过空间的虫洞。虫洞有两个洞口，可以设计成一个在地球附近，另一个在26光年远的织女星轨道附近，两个洞口通过超空间的隧道相连接，可能只有1公里长。这部小说叫《Contact》，后被拍成电影《超时空接触》。

        基帕·索恩说，在纸上爬行的蚂蚁感觉不到纸是平整的还是有褶皱的，同样，宇宙中的我们也不太清楚，我们的宇宙在超空间里是平直的还是像弯曲。正是因为超空间的弯曲，地球和织女星才有可能相邻，从而可以通过很短的虫洞连接起来。

        虫洞不仅是科幻小说家凭空想象的东西，1916年，数学家就在爱因斯坦场方程的解里发现了它。“可以说虫洞是一个数学概念，从物理角度目前无法观测到”，王斌告诉澎湃新闻。

        基帕·索恩几十年来也在怀疑虫洞的存在。我们可以在星系中大量观测到大质量的恒星在死亡坍缩时会形成黑洞，但在自然界却没有看到类似虫洞的生成方式。“实际上，没有任何理由相信我们的宇宙在今天包含了任何会产生虫洞的奇点，即使存在这样的奇点，也难以理解两个奇点能在广阔的超空间里相遇而形成虫洞”，基帕·索恩在《黑洞与时间弯曲》中写道。

        按照爱因斯坦场方程，虫洞的寿命非常短暂，在辐射的随机打击下还会更短，比以往更加快速地收缩、关闭，彷佛它根本不曾存在过。基帕·索恩开始思考是否有一种无限发达的文明，可以让虫洞总是开着。以爱因斯坦场方程为基础，基帕·索恩认为，可以用某种奇异物质贯穿虫洞，靠引力作用将洞壁撑开，这个贯穿虫洞的奇异物必须具有负能量密度。不过，能量密度是相对概念，不是绝对的，在不同的参照物系里它可以是正的，也可以是负的。

        虫洞需要奇异物打开的发现，在1988—1992年间激起了理论研究热潮，中心问题是：物理学定律容许奇异物存在吗？如果是，应该在什么条件下呢？直到今天，关于开启虫洞的条件以及奇异物的存在都未有定论，这也为各类科幻电影电影、小说提供了很大的发挥空间。

        基帕·索恩说，假如在大爆炸中没有生成虫洞，那么一个无限发达的文明，可能用量子方法或者扭曲空间的办法构造虫洞，但是不论使用哪种方法，时间在所有参照系看来都会被它强烈扭曲，因此，虫洞就成为了一台时间机器。

        霍金在《果壳中的宇宙》中写道，“如果航天飞船于12：00出发，如果时空弯曲得足够厉害，飞船沿着一个巨大的圈环穿越弯曲的时空航行，飞船将在11：45返回出发点。也就是说飞船在出发之前已经返回。”

        基帕·索恩假设了一个思想实验，找一个很短的虫洞，一个洞口放在家中起居室，另一个洞口放在门前草地上的家庭飞船。基帕·索恩留在家里的洞口，妻子卡洛丽带着另一个洞口乘飞船以光速去宇宙旅行。整个旅行过程中，两人的手通过虫洞握在一起。卡洛丽将于出发后12个小时回到家前的草地。但是以地球时间来测量，卡洛丽回来后，地球上已经过了10年。10年后，卡洛丽回来，基帕·索恩站在妻子身后，从洞里看，握着她的手的人，正是10年前的他自己。虫洞成为时间机器。如果从飞船的这个洞口爬过去，那么基帕·索恩就会从10年前屋里的那个洞口出来，与10年前的自己相会，如果反方向穿过虫洞，则会老10岁。

        基帕·索恩提醒，虽然思想实验上可以通过虫洞回到过去，但这个“过去”并不是随便的什么时间，因为哪怕是在理论上，也不可能通过虫洞，穿越到进入虫洞之前的时间里。也就是说，虫洞只在虫洞两端有效，无法实现其他时空的随意穿越。当然，如果有很多虫洞，并且相互连通，那虫洞的效果就大不相同了，想想苹果内部真正的虫洞吧。

        好了，去看看《星际穿越》中基帕·索恩为时空旅行创建了什么样的模型吧。