什么是虫洞

宇宙中的虫洞是科学家推测可能存在的一种特殊隧道，它的两头连接着两个遥远的时空，理论上说，如果能从虫洞的一端穿越到另一端，就能实现超越光速的时空旅行。

要想清楚了解虫洞的来头，我们还得再次回到1916年。##历史文章《上帝不会掷骰子？——谈谈量子力学》##

爱因斯坦提出广义相对论后，各地的科学家都对这一理论展开了积极研究，来自奥地利的物理学家Ludwig Flamm就是在这一过程中想到了类似虫洞的概念。

在解决广义相对论的核心方程（爱因斯坦场方程）时，方程的史瓦西解（Schwarzschild'ssolution）被找到，只是在这个解里面存在着奇异点，或者说是方程中的特殊情况（就像y=1/x这个方程里，x=0的情况）。当我们把这种特殊情况和它的物理意义联系起来时，黑洞和白洞就被相继提出。

Kruskal 坐标下的史瓦西图，1,3象限代表两个独立的时空，2的曲线边界是白洞，4的曲线边界则代表黑洞 Credits: Wikipedia (Kruskal–Szekeres coordinates)

在霍金的两大科普著作《时间简史》、《果壳中的宇宙》的帮助下，黑洞这一概念早已深入人心。它是在恒心死亡时，由于体积收缩，密度变大，获得使光也无法逃脱的巨大密度的一种天体。而所谓白洞，其实就是和黑洞具有相反性质的特殊天体，特点是不断往外“吐”出东西，只发射而不吸收。Ludwig Flamm设想中的虫洞正是连接黑洞和白洞的“管道”，由于联系着一黑一白，虫洞也有了另一个名称叫作“灰道”。

1935年，爱因斯坦和罗森完善并正式提出了这一理论，从此，这种连接两个时空的神奇通道被人们称作爱因斯坦-罗森桥（Einstein-Rosen bridges），或者虫洞（wormhole）。

理解虫洞 Credit: Wikipedia (Wormhole visualized)

这样看来，黑洞、白洞和虫洞其实都是从物理方程出发，在数学意义上存在的概念。它们在宇宙里是否真的存在，还需要我们的观测结果来证实。关于黑洞，我们前几年已经在宇宙中找到了它存在的蛛丝马迹，但是白洞和虫洞的踪迹却一直未能被人类捕捉到。

黑洞和虫洞的观测

霍金曾对微观上的虫洞作出过解释，在他的理论中，微观虫洞其实不断在量子真空中出现和消失，只是它们体积极小，只有不及原子大小的基本粒子才能通过。这一解释显然让那些对时空旅行的充满期待的人失望了，幸运的是，宏观上的虫洞在理论上也是可能存在的。

地球的引力作用造成空间扭曲，使卫星在特定的轨道上运行

宏观上的虫洞和黑洞一样，周围会产生严重的时空包裹，也就是极强的引力作用。在这种作用下，光线沿曲线行走，虫洞周围的星云尘埃发出的光线汇聚过来，形成一个围绕虫洞的光环。于是，虫洞周围的光线就像围绕地球运行的卫星，过于靠近的光子会因为引力作用被虫洞吸收，所以光环往里是一个圆形的黑色虚空，我们叫作阴影（shadow）。

同样的，在银河系的正中，我们曾间接观测到的那个巨大黑洞也有着这样的阴影区域，只是他的相对体积非常的小。为了直接观测到黑洞的阴影，我们在全球设立了射电望远镜阵列，形成一个地球大小的组合“望远镜”，也就是视界望远镜（EHT，Event Horizon Telescope），现在科学家们正在分析去年收集到的第一批数据，试图提供直接观测到的黑洞存在的依据。

巨大的密度意味着超强的引力，使速度最快的光也无法逃脱

上个月30号（3/18/2018），来自印度孟买的物理学家Rajibul Shaikh在arXiv上发表了一份最新研究成果（论文内容点击阅读原文），研究发现，一种特定的虫洞在旋转时会产生更加扭曲的阴影，而高速旋转下的黑洞的阴影则是保持一种碟型。所以如果我们可以直接观测到阴影的存在，这项发现就能帮助我们分辨观测到的究竟是黑洞还是虫洞。

在这项研究中，虫洞喉咙的影响被考虑了进来，这也是之前的多数研究者都忽视的问题。虫洞的喉咙连接着虫洞的两端，并且在理论上会影响它产生的阴影的形状。

科学变革的可能

在广义相对论的体系之下，虫洞产生的引力作用是如此巨大，它其实不能单独存在多久就会自我毁灭，所以虫洞的长期存在需要奇异物质（exotic matter）的维持。

“奇异物质”这个十分玄幻的词并不是Rex使用的一个修饰词，而是科学家定义的一类物质的名称！但是顾名思义，这些物质有着奇异的性质，或者说能力，可以做到一些一般物质完成不了的任务，比如说负能量产生的反引力效果，可以抵消正常的引力效应，从而维持虫洞的“存活”。广义上对它的定义是：不由强子（baryons）所构成的物质。

所以说，如果我们真的可以直接观测到宇宙中的虫洞，那么也就间接证明了奇异物质的存在，或许我们会迎来另一次的科学变革，使得科学家们重新定义和理解引力，以及宇宙物质的构成等问题。

电影星际穿越中的画面

然而，以上的一切都基于层层假设之上，我们能否真的直接观测到阴影还需要等待数据分析的结果。上述对阴影形状的研究也只是基于一种特定的虫洞才能适用，这种虫洞是一种简化的，对称的理想虫洞，所以研究结果能应用到普通虫洞上的可能并不大。

##

经历了从物理出发到数学推导，再重新回到物理研究的过程，一路上我们对虫洞建立了太深的印象，好像它真的就挂在天上。我们曾经无数次通过数学计算找到了相应的物理现象，就像电磁波的提出、泊松亮斑的发现，当看到观测结果和理论预测完美吻合时，我也深深感受到了科学的魅力。只是对于虫洞来说，宏观虫洞的存在不可避免地指向了极其神秘的奇异物质，这些物质本身的性质、对虫洞的影响我们都无从得知，所以之后的推测也难以让人信服。

理论的突破和实验的证明是科学研究的左右手，也是我很喜欢的一种理性的美学，只是这一次，我们可能要接受科学另一种残缺的美了。

来源参考

    https://en.wikipedia.org/wiki/Wormhole

    https://www.space.com/20881-wormholes.html

    https://www.zhihu.com/question/50795273

牛油果进化论，一个不正经的科普平台