“虫洞”真是时空旅行的“任意门”?

  日前,由杨幂主演的科幻动作片《逆时营救》热映,影片讲述了物理研究所研究员夏天,与所长共同研究出可使生物体穿越虫洞进行时间旅行的技术,当研究有了突破性进展时,夏天儿子却被绑架,为了挽救儿子的生命,夏天冒险用未完成的粒子技术返回1小时50分钟前,一次次想要救出儿子……

  粒子传送器、虫洞、平行宇宙……电影里出现的这些科幻关键词,有哪些科学养分?在众多“穿越时间的旅行”科幻电影的故事里,通过“虫洞”进行时间穿越,又包含了哪些科学道理?

  科幻电影“玩转时空”

  众所周知,“穿越时空”是一些科幻电影电影的主题。题材不同,电影里穿越时空的方式也不尽相同,例如《时间旅行者的妻子》《午夜巴黎》这样的借助穿越的浪漫爱情题材;《星际穿越》《星际迷航》等科幻电影里,主人公通过时空隧道——“虫洞”实现了时空的自由穿梭;电影《逆时营救》中,主角通过穿越由粒子技术制造的虫洞进行时间旅行……那么,在科幻电影中频频亮相的“虫洞”真的是时间穿越和星际旅行的万能灵药吗?

  南京大学物理学院蒋博士告诉记者,“虫洞”的性质很早就被发现了:1916年奥地利物理学家路德维希·弗莱姆首次提出了“虫洞”概念。1935年,爱因斯坦和其助手罗森在一篇论文中,把连接宇宙中两个遥远区域之间的假想通道称为“桥”——后来这被称为爱因斯坦-罗森桥,其实也就是“虫洞”。爱因斯坦通过假设,认为透过虫洞可以做瞬时的空间转移或者做时间旅行。

  而虫洞理论能广泛传播和被大众所认识,还要得益于著名天文学家卡尔·萨根和物理学家基普·索恩的一段交往。1985年,卡尔·萨根准备写一部名为《接触》的科幻小说,“虫洞”概念也第一次出现在这部科幻小说里。

  小说写作过程中,萨根遇到了难题:小说主人公艾丽到底通过什么方式才能让旅行者跨越遥远的星际空间呢?这就需要萨根展开大胆“幻想”,他最初的设想是利用黑洞。为了更加科学,萨根向加州理工大学的索恩教授请教并进行论证,索恩欣然应允。索恩和他的学生经过论证发现,进入黑洞的所有物体都会被强大的潮汐引力撕得粉碎,作为时空旅行手段这是不可跨越的障碍,便建议萨根在小说中把黑洞改称“虫洞”。之后的科幻小说和电影里,虫洞成了时间穿越和星际旅行的必备元素,也成为科幻电影导演们的“心头爱”。

  “虫洞”里的时间旅行可行吗

  那么究竟什么是虫洞?它又为什么会被科幻小说家视为星际旅行的工具呢?蒋博士表示,其实也很好理解:大家知道,在一个苹果的表面上从一个点到另一个点需要走一条弧线,但如果有一条蛀虫在这两个点之间蛀出了一个虫洞,通过虫洞就可以在这两个点之间走直线,这显然要比原先的弧线来得近。

  把这个类比从二维的苹果表面推广到三维的空间,就是物理学家们所说的虫洞, 而虫洞可以在两点之间形成快捷路径的特点或许正是科幻小说家们喜爱虫洞的原因。只要存在合适的虫洞,无论多么遥远的地方都有可能变得近在咫尺,星际旅行家们将不再受制于空间距离的遥远。在一些科幻故事中,技术水平高度发达的文明世界利用虫洞进行星际旅行就像今天的我们利用高速公路在城镇间旅行一样。

  关于“虫洞”,在电影《星际穿越》里的解释也非常准确,虫洞相当于空间的高速公路,它通过“柄”状结构连接两个空间,是弯曲的宇宙空间中的管道,洞口是球形的。《星际穿越》中的虫洞其实是“洛伦兹虫洞”,它可以让主人公的飞船在短时间内到达同一个宇宙的遥远星系。而《逆时营救》中的虫洞则是另一种,叫做“宇宙间虫洞”,它可以连接不同的平行宇宙。

  在科学界,时间旅行一度被认为是歪理学说,但随着科学研究的推进,科学家们对此也不再那么谨小慎微了。正如霍金所言:“我对时间痴迷已久,如果有一台时间机器,我会去拜访风华正茂的玛丽莲·梦露,或是造访将望远镜转向宇宙的伽利略。或许,我还会走到宇宙的尽头,破解整个宇宙湮灭之谜。”

  不过,在许多物理学家看来,想要通过虫洞完成时间旅行面临的难度可不止一点。比如,如果想要维持虫洞高度弯曲的时空结构,必须依靠由负能量物质提供的巨大张力,但这需要非常大量的负能量物质,仅仅维持半径为1厘米的虫洞,就需要相当于整个地球质量的负能量物质,但这还不是最大的问题,更重要的是虫洞中的巨大张力远远超过了飞船和宇航员所能承受的极限,该张力的大小与虫洞半径的平方成反比,所以只有虫洞的半径超过一光年,其张力才能允许飞船和飞行员穿过,但是维持这么大的虫洞所需要的负能量物质相当于太阳系质量的10万亿倍。所以到目前为止,虫洞只能存在于科学理论和文艺作品之中。