電影《星際穿越》中的黑洞（上)和蟲洞(下)

        在電影《星際穿越》中，男女主角在靠近黑洞的行星上，呆了幾個(gè)小時(shí)，回到飛船上發(fā)現(xiàn)已經(jīng)過了二十幾年，這種情況可能出現(xiàn)嗎？通過蟲洞可以完成時(shí)間、空間旅行嗎？在觀影之前先了解下黑洞、蟲洞、時(shí)空旅行是怎么回事吧。

一旦接近黑洞，就會(huì)被潮汐力撕得粉碎

        簡(jiǎn)單來說，黑洞是宇宙中有著強(qiáng)大引力的超高密度天體，任何物質(zhì)只要超過黑洞外圍的“視界”，都將被吸入黑洞，并且有去無回。

        “黑洞”最早被科學(xué)家提出時(shí)還不叫“黑洞”。1783年，劍橋的學(xué)監(jiān)約翰·米歇爾進(jìn)行了一項(xiàng)論證：如果有個(gè)人垂直向上射出一個(gè)粒子，比如炮彈，它的上升將被引力所減緩，而且這個(gè)粒子最終將停止上升并落下。然而，如果初始向上的速度超過“逃逸速度”（對(duì)地球而言，“逃逸速度”大約為每秒12千米，對(duì)于太陽則大約為每秒100千米）的臨界值，引力將不夠強(qiáng)大到足以停止該粒子，它將飛離遠(yuǎn)去。光速大約是每秒300000千米，光可以從地球或太陽輕而易舉地逃逸。

        約翰·米歇爾論斷，可以存在比太陽更大質(zhì)量的恒星，其逃逸速度超過光速，因此任何光都可以被這些恒星的引力拖拽回去，在那種情況下，連光線都看不到。米歇爾將這樣的情況叫做“暗星”，就是我們現(xiàn)在叫做“黑洞”的東西。

        “米歇爾暗星”的思想是基于牛頓物理學(xué)，牛頓理論中的時(shí)間是絕對(duì)的。在廣義相對(duì)論中情形就非常不同，大質(zhì)量物體可以使時(shí)空彎曲。但是，在很長一段時(shí)間里，大多數(shù)物理學(xué)家，包括愛因斯坦都很懷疑，物體如此極端的形態(tài)是否真的在實(shí)際的宇宙中發(fā)生過。愛因斯坦本人從不相信黑洞，而且大多數(shù)廣義相對(duì)論的元老都認(rèn)同他的態(tài)度。

        1916年，德國天文學(xué)家卡爾·施瓦茲席爾德揭示了廣義相對(duì)論中的一個(gè)令人吃驚的含義，他指出，如果恒星質(zhì)量被集中在足夠小的區(qū)域，恒星表面的引力場(chǎng)就會(huì)變得非常強(qiáng)，連光都不能逃逸，它是時(shí)空中以“事件視界”為界的區(qū)域。在這個(gè)區(qū)域，觀察者看不到任何東西，包括光。卡爾·施瓦茲席爾德的發(fā)現(xiàn)，在當(dāng)時(shí)并沒有得到理解和重視。

        霍金在《果殼中的宇宙》中提到：“我還記得有一次去巴黎做學(xué)術(shù)報(bào)告，那是關(guān)于我發(fā)現(xiàn)的量子理論意味著黑洞不是完全黑的。我的學(xué)術(shù)報(bào)告徹底失敗，因?yàn)槟菚r(shí)在巴黎幾乎無人相信黑洞?！?/p>

        直到1963年，3C273類星體的發(fā)現(xiàn)引發(fā)了大量有關(guān)黑洞的理論研究及檢測(cè)它們的觀察嘗試。3C273類星體是第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的類恒星無線電源，在一個(gè)小區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生了大量的功率。物質(zhì)落入“黑洞”，似乎是能夠解釋這么高亮度的唯一機(jī)制。

        霍金說，這類恒星是由諸如獵戶座星云中的那些氣體形成的，當(dāng)氣體云在自身的引力下收縮時(shí)，氣體被加熱上去，并且最終熱到足以開始熱聚變反應(yīng)。大質(zhì)量的恒星把它們的氫燃燒成氦，氦又燃燒成諸如碳和氧等更重的元素，但是這些核反應(yīng)不會(huì)釋放出大量能量。這樣，恒星失去支持自身對(duì)抗引力的熱量和熱壓力，它們開始變得更小，不停地收縮，最終坍縮成零尺度和無限密度，從而形成奇點(diǎn)。當(dāng)恒星達(dá)到一定的臨界半徑，光線將在恒星常距離處逗留，永遠(yuǎn)不能離開。光線的臨界軌跡掠過的表面稱作“事件視界”，它把時(shí)空中的光線隔離成能夠逃逸的區(qū)域和不能逃逸的區(qū)域，從它表面發(fā)射的任何光線都將被時(shí)空曲率向里面彎曲，恒星就成為一個(gè)“米謝爾暗星”。

        1969年，美國物理學(xué)家約翰·阿奇巴爾德·惠勒為物體的坍縮狀態(tài)撰寫了“黑洞”這個(gè)術(shù)語，并激發(fā)了這個(gè)領(lǐng)域中的大量現(xiàn)代研究。

        霍金在《果殼中的宇宙》中的理論說明，一個(gè)落進(jìn)黑洞并撞到奇點(diǎn)上去的航天員的時(shí)間，將會(huì)終結(jié)。當(dāng)宇航員著陸在一顆正在坍縮的恒星上時(shí)，在這個(gè)恒星表面的時(shí)間就將緩慢下來并最終停止。

        因此《星際穿越》中的情節(jié)設(shè)置有一定的理論基礎(chǔ)。不過這僅僅是物理學(xué)上的理論。人類要真正做到這些，暫時(shí)沒有可能。上海交通大學(xué)物理與天文系王斌教授告訴澎湃新聞（www.loaarchitects.com.cn），“接近黑洞，就會(huì)被黑洞的潮汐力撕得粉碎，任何東西都不例外。男女主角在靠近黑洞的行星上，這個(gè)靠近的概念是多遠(yuǎn)的距離？就算靠近黑洞到可以感受到黑洞的作用，一旦越過視界，你也就無法再返回。”

蟲洞停留在思想實(shí)驗(yàn)階段，宇宙中還沒找到

        時(shí)空旅行是科幻電影中常設(shè)的情節(jié)?！缎请H穿越》中的主角們就經(jīng)歷了蟲洞這個(gè)時(shí)空隧道，那么蟲洞是什么呢？“簡(jiǎn)單地來說，可以把蟲洞理解為連接不同空間的橋梁，你可以通過蟲洞瞬間進(jìn)入另一空間，甚至回到過去的時(shí)間”，王斌說。

        物理學(xué)家基帕·索恩在《黑洞與時(shí)間彎曲》中說了一件趣事。1985年，基帕·索恩多年的老朋友卡爾·薩根打來的電話，卡爾·薩根寫了一本小說，因?yàn)榭峙聦⒛承┪锢碓砼e(cuò)，希望基帕·索恩確認(rèn)一下。在卡爾·薩根的小說中，女主角落進(jìn)了地球附近的一個(gè)黑洞，然后穿越了空間，1小時(shí)后出現(xiàn)在26光年遠(yuǎn)的織女星旁。

        通過黑洞穿越顯然是不可能的，除了被黑洞摧毀沒有別的下場(chǎng)。基帕·索恩腦海中閃過一個(gè)念頭：可以把黑洞換成穿過空間的蟲洞。蟲洞有兩個(gè)洞口，可以設(shè)計(jì)成一個(gè)在地球附近，另一個(gè)在26光年遠(yuǎn)的織女星軌道附近，兩個(gè)洞口通過超空間的隧道相連接，可能只有1公里長。這部小說叫《Contact》，后被拍成電影《超時(shí)空接觸》。

        基帕·索恩說，在紙上爬行的螞蟻感覺不到紙是平整的還是有褶皺的，同樣，宇宙中的我們也不太清楚，我們的宇宙在超空間里是平直的還是像彎曲。正是因?yàn)槌臻g的彎曲，地球和織女星才有可能相鄰，從而可以通過很短的蟲洞連接起來。

        蟲洞不僅是科幻小說家憑空想象的東西，1916年，數(shù)學(xué)家就在愛因斯坦場(chǎng)方程的解里發(fā)現(xiàn)了它?！翱梢哉f蟲洞是一個(gè)數(shù)學(xué)概念，從物理角度目前無法觀測(cè)到”，王斌告訴澎湃新聞。

        基帕·索恩幾十年來也在懷疑蟲洞的存在。我們可以在星系中大量觀測(cè)到大質(zhì)量的恒星在死亡坍縮時(shí)會(huì)形成黑洞，但在自然界卻沒有看到類似蟲洞的生成方式?！皩?shí)際上，沒有任何理由相信我們的宇宙在今天包含了任何會(huì)產(chǎn)生蟲洞的奇點(diǎn)，即使存在這樣的奇點(diǎn)，也難以理解兩個(gè)奇點(diǎn)能在廣闊的超空間里相遇而形成蟲洞”，基帕·索恩在《黑洞與時(shí)間彎曲》中寫道。

        按照愛因斯坦場(chǎng)方程，蟲洞的壽命非常短暫，在輻射的隨機(jī)打擊下還會(huì)更短，比以往更加快速地收縮、關(guān)閉，彷佛它根本不曾存在過?；痢に鞫鏖_始思考是否有一種無限發(fā)達(dá)的文明，可以讓蟲洞總是開著。以愛因斯坦場(chǎng)方程為基礎(chǔ)，基帕·索恩認(rèn)為，可以用某種奇異物質(zhì)貫穿蟲洞，靠引力作用將洞壁撐開，這個(gè)貫穿蟲洞的奇異物必須具有負(fù)能量密度。不過，能量密度是相對(duì)概念，不是絕對(duì)的，在不同的參照物系里它可以是正的，也可以是負(fù)的。

        蟲洞需要奇異物打開的發(fā)現(xiàn)，在1988—1992年間激起了理論研究熱潮，中心問題是：物理學(xué)定律容許奇異物存在嗎？如果是，應(yīng)該在什么條件下呢？直到今天，關(guān)于開啟蟲洞的條件以及奇異物的存在都未有定論，這也為各類科幻電影電影、小說提供了很大的發(fā)揮空間。

        基帕·索恩說，假如在大爆炸中沒有生成蟲洞，那么一個(gè)無限發(fā)達(dá)的文明，可能用量子方法或者扭曲空間的辦法構(gòu)造蟲洞，但是不論使用哪種方法，時(shí)間在所有參照系看來都會(huì)被它強(qiáng)烈扭曲，因此，蟲洞就成為了一臺(tái)時(shí)間機(jī)器。

        霍金在《果殼中的宇宙》中寫道，“如果航天飛船于12：00出發(fā)，如果時(shí)空彎曲得足夠厲害，飛船沿著一個(gè)巨大的圈環(huán)穿越彎曲的時(shí)空航行，飛船將在11：45返回出發(fā)點(diǎn)。也就是說飛船在出發(fā)之前已經(jīng)返回?！?/p>

        基帕·索恩假設(shè)了一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)，找一個(gè)很短的蟲洞，一個(gè)洞口放在家中起居室，另一個(gè)洞口放在門前草地上的家庭飛船?；痢に鞫髁粼诩依锏亩纯?，妻子卡洛麗帶著另一個(gè)洞口乘飛船以光速去宇宙旅行。整個(gè)旅行過程中，兩人的手通過蟲洞握在一起。卡洛麗將于出發(fā)后12個(gè)小時(shí)回到家前的草地。但是以地球時(shí)間來測(cè)量，卡洛麗回來后，地球上已經(jīng)過了10年。10年后，卡洛麗回來，基帕·索恩站在妻子身后，從洞里看，握著她的手的人，正是10年前的他自己。蟲洞成為時(shí)間機(jī)器。如果從飛船的這個(gè)洞口爬過去，那么基帕·索恩就會(huì)從10年前屋里的那個(gè)洞口出來，與10年前的自己相會(huì)，如果反方向穿過蟲洞，則會(huì)老10歲。

        基帕·索恩提醒，雖然思想實(shí)驗(yàn)上可以通過蟲洞回到過去，但這個(gè)“過去”并不是隨便的什么時(shí)間，因?yàn)槟呐率窃诶碚撋希膊豢赡芡ㄟ^蟲洞，穿越到進(jìn)入蟲洞之前的時(shí)間里。也就是說，蟲洞只在蟲洞兩端有效，無法實(shí)現(xiàn)其他時(shí)空的隨意穿越。當(dāng)然，如果有很多蟲洞，并且相互連通，那蟲洞的效果就大不相同了，想想蘋果內(nèi)部真正的蟲洞吧。

        好了，去看看《星際穿越》中基帕·索恩為時(shí)空旅行創(chuàng)建了什么樣的模型吧。