洛水
蛀洞
蛀洞
1993 第6期   - 科与幻

洛水


    1985年夏，美国著名科幻作家卡尔·萨根完成了他的新作《接触》。在该作尚未刊出之前，他将原稿送交加利福尼亚理工学院的基普·索恩博士，希望能为科幻小说中的时间旅行寻找一个合理的解释。此时索恩正在指导两名青年作哲学博士论文，索恩即以萨根提出的问题作为试题，带领两位研究生进行探讨，并将其研究成果发表在美国物理学会的《物理评论通讯》上。索恩等认为：从理论上来说，利用他们发现的大尺度蛀洞的新特征，人们不仅可以缩短星际旅行的时间，还可以返回过去。

    蛀洞作为一种新的概念，提出已经有70多年了。当爱因斯坦提出广义相对论之后不久，物理学家就开始对蛀洞发生兴趣。大尺度蛀洞是爱因斯坦广义相对论场方程的一个解，它标志着一种空间和时间的几何结构。在这种结构中，宇宙的两个区域是由短而窄的“咽喉状部分”相连接。1916年卡尔·施瓦兹奇尔德解爱因斯坦广义相对论场方程得到的施瓦兹奇尔德蛀洞具有动态结构。蛀洞由零半径膨胀到最大半径，然后又收缩回零。这一过程进行得极快，即使以光速运动也无法从一个孔口到达另一孔口。此外，蛀洞有很强的引力，当人们离它还有相当的距离时就会被引力撕成碎块。这样的蛀洞当然不能作为旅行的通道。

    索恩等人构思了可通行蛀洞的几何结构，其咽喉部保持开放，人们通过时只受到适度的加速度和潮汐力。爱因斯坦的场方程表明，任何可通行的蛀洞一定含有某种形式的奇异物质。这种奇异物质具有“负压力”，有点象被拉长的弹簧，现在还没有人知道这种物质是否存在。假如这种物质存在，它与其它物质的相互作用很弱，又不会伤害旅行者，那么可通行的蛀洞就有存在的可能性。

    索恩从研究爱因斯坦场方程出发，发现了大尺度蛀洞的新特征，为萨根的科幻小说找到了理论解释。如果我们能找到索恩所构想的那种蛀洞，便可以将蛀洞的一个边洞口开在大阳附近，另一边洞口开在天琴座织女星附近，乘火箭沿蛀洞作星际旅行，在短时间内到达距离为25光年的织女星。瞧，科幻小说成了科学研究的先导。当然这一切仅仅是理论的延伸，到目前为止还没有一个人观察到蛀洞。但当人们通过计算预见到海王星的存在时，没有一个人能观察到海王星，而现在观察海王星不是什么了不起的事情了。

    索恩的研究成果也为萨根科幻小说中时间旅行找到了一个合理的解释。假设蛀洞有A、B两个洞口，使B洞口作加速运动，其速度接近光速，而A洞口保持静止，根据狭义相对论所测预的效应，B洞口的时钟慢于A洞口的时钟。这时乘火箭以接近光速的速度从A洞口向B洞口行进，到达B洞口的时刻比从A洞口出发时提前了。此时立刻通过蛀洞返回，到达出发点A洞口的时刻比离开时还要早。也就是说10点钟时你从A洞口向B洞口以接近光速的速度运动，而到达B洞口时，时间却是9点钟，立刻穿过蛀洞回到A洞口，还不到10点钟，这样通过蛀洞就完成了一次逆时而行的旅行。在这里索恩的科学推断与萨根的科学幻想似乎很好地吻合在一起了，然而科学推断与科学幻想之间是有很大的不同。科学幻想可以避开许多难以解决的具体问题，把它留给后人去研究，而科学推断必须面对这些难题。逆时旅行要重新评估自然现象中的因果关系和时间演变的概念。例如，当你在逆时旅行中如果遇见了你出生前的父母，当你试图向他们开枪射击时，就会出现难以解决的问题：如果击中身亡，那么你是如何来到世上?科学家认为必须采取一些基本原理来使自然系统的演变不会自相矛盾，即采用相容性原理来补充因果律。就是说枪不是不发火就是未命中。

    自从索恩发表了大尺度蛀洞新的特征之后，引起了不少物理学家的关注，一些学者提出了新的假设。也有一些人提出许多疑点，认为蛀洞理论不可能成立，因为它不仅破坏了物理学的大前题——因果律，而且还会动摇许多物理学的定律。至少从目前人类的认识来看，蛀洞的存在还有很大的不确定性。

        图/张健翔