如果外星人之间爆发星际战争，地球人类无法战胜外星人，地球人类该怎么办？最新的虫洞研究或许能给我们一些启发：人类可以躲在虫洞里，等战争结束后再出来。
撰文 | 张华
以前我们说到虫洞，大多都是和星际旅行话题有关。因为宇宙太大，而人类的飞行器速度太慢，加上我们的寿命又很短，所以跨越遥远的星际空间几乎是不可能的。比如距离太阳最近的恒星位于半人马座，距离我们大约有4光年，就算我们以1%的光速飞行，也要400年才能到达这里；而太阳距离银河系中心有2.6万光年，所以以现在的科技水平，去银河系中心几乎是一个遥不可及的梦想。而近期人类拍摄到的第一张黑洞照片，就位于距离太阳系5500万光年的遥远星空中。人类的身躯要如何跨越这片遥远的星海呢？
因此人们总说，想要穿越遥远的星际空间，就只能依靠虫洞。然而，最新的虫洞研究告诉我们，通过虫洞进行星际旅行或许并不是最好的选择。
可穿越虫洞：关键是负质量
要了解最新的虫洞研究，了解虫洞研究的历史会有所帮助。
1935年，爱因斯坦和罗森在研究广义相对论时发现了“爱因斯坦-罗森桥”，这是一个不可穿越的虫洞，所谓不可穿越，就是在有限的时间内无法穿过这个虫洞，所以这种虫洞在现实中并没有什么实际意义。
这种尴尬的局面持续了50年才有所改变。1985年，美国康奈尔大学天文学家、科普作家卡尔·萨根写了一本科幻小说《接触》，小说讲述了人类通过虫洞前往距离地球26光年的织女星附近，随后与外星文明取得联系，并最终成功返回地球的故事。
这部小说可以看作是人类第一次提出“可穿越虫洞”的概念——所谓“可穿越虫洞”就是指人类可以穿越虫洞，并在有限的时间内返回。
在创作这部小说的过程中，卡尔·萨根起初并没有在这方面做太多研究，还误把虫洞写成了黑洞。但他咨询了老朋友、加州理工学院物理学家基普·索恩教授，后者建议他用虫洞代替黑洞，作为星际旅行的工具。
在与卡尔·萨根交流时，索恩知道黑洞无法用于星际旅行，于是他想到了导师约翰·惠勒十多年前提出的“虫洞”概念。
但惠勒的虫洞概念仅仅是一个概念，没有任何物理计算细节。于是索恩和他的学生迈克·莫里斯开始用正统的广义相对论知识研究虫洞物理，并在两年后发表了一篇研究论文。这篇论文发表在《美国物理学杂志》上，题为《时空中的虫洞及其用途：一种教授广义相对论的工具》。
这张图来自于的虫洞论文，直线表示虫洞入口在时空中的轨迹（世界线），曲线是虫洞出口在时空中的轨迹，世界线上的阿拉伯数字分别表示出口和入口的当地时间。
虫洞是连接出口和入口的隧道。在索恩的虫洞模型中，虫洞非常短，穿越所需的时间可以近似为零。在这种情况下，当一个人从虫洞的入口进入，从出口出来，再沿着虫洞返回入口，就可能回到自己的过去，这将引起祖父悖论。
索恩和他的学生在论文中提出的观点大致是这样的：爱因斯坦引力场方程的左边是空间曲率，右边是能量动量张量。对爱因斯坦引力方程的分析表明，为了产生可穿越的虫洞，造成这种时空曲率的物质对应的能量动量张量必须违反平均类光能量条件。也就是说，为了制造出人类可以往返的虫洞，必须消耗巨量的负质量物质来支撑隧道——否则隧道很容易“坍塌”。根据爱因斯坦的狭义相对论，质量和能量是等价的，因此负质量意味着负能量——但宇宙中并不存在大尺度的负能量，因此开通可穿越的虫洞似乎是不可能的。
根据广义相对论清华物理学家王，违反平均类光能量条件是所有可穿越虫洞的前提条件。也就是说，如果想要穿越虫洞，就相当于要求穿过虫洞的类光测地线（即以光速运动的粒子）不能在虫洞中汇聚，而这需要借助印度著名物理学家阿迈勒·库马尔（Amal Kumar）提出的一个方程。从阿迈勒·库马尔的方程可以看出，在虫洞中，只有当物质场的能量动量张量违反平均类光能量条件时，光才不会撞上奇点——在这种情况下，聚焦在虫洞一端的光在离开虫洞另一端时会向外扩散，从而顺利逃离虫洞。
然而，这个世界上不存在任何违反平均类光能量条件的物质。因此，从这个意义上讲，即使虫洞能因量子效应而瞬间产生，也往往会自毁。由于虫洞天生容易自毁，索恩后来觉得虫洞很难实现，甚至根本不可能存在，于是他说“虫洞需要先进文明有意识地创造和维护”。随后，索恩又去研究引力波。
虫洞新研究：不可穿越的虫洞相当于量子纠缠
近几十年来，索恩将他的兴趣从虫洞研究转向引力波探测，并于2017年因首次探测到引力波而获得了诺贝尔物理学奖。
但对虫洞的研究一直没有停止，而且近10年来虫洞研究的基本思想也发生了很大的变化。
虫洞研究的新思路来源可以概括为一个物理公式“ER=EPR”，由普林斯顿高等研究院的胡安·马尔达西那和斯坦福大学的伦纳德·萨斯坎德于2013年提出，该公式首次将虫洞与量子纠缠联系起来。
ER 是罗森桥（Rosen ）的缩写，也就是我们在本文开头提到的那个，是爱因斯坦和内森·罗森在研究广义相对论方程时提出的一种不可穿越的虫洞。
EPR 是三位科学家名字的缩写，爱因斯坦 - 波多尔斯基 - 罗森。波多尔斯基（鲍里斯）是俄裔美国物理学家。EPR 描述的是物理学中的一对纠缠粒子。
本来，ER与EPR两个概念是完全不相干的，因为爱因斯坦—罗森桥是广义相对论的产物，描述大尺度宏观现象，而EPR对描述的是微观世界的量子纠缠行为，而量子纠缠很容易由于大尺度上的退相干而消失。
但2013年，因提出ADS/CFT对偶理论而声名大噪的马尔达西那和萨斯坎德却抛出了一颗重磅炸弹：“ER=EPR”。如果将黑洞看作量子系统而非经典物体，那么就有可能出现两个高度纠缠的黑洞组成的系统。仔细研究这种纠缠态就会发现，这个纠缠态对应的时空可以看作是连接两个黑洞的不可穿越的虫洞。这才是“ER=EPR”的真正含义。
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值得注意的是，ER 和 EPR 论文都是爱因斯坦和罗森合著的，且都是在 1935 年发表，时间相隔两个月。更让人吃惊的是，80 年后，马尔达西那和萨斯坎德发现，两篇文章本质上讲的是同一件事。他们推测，任何一对纠缠的量子系统都是通过爱因斯坦-罗森桥（不可穿越的虫洞）连接的。
基于ER=EPR，哈佛大学的丹尼尔·贾弗里斯（ ）和高平，以及斯坦福大学的阿隆·沃尔（Aron Wall）开始研究新型虫洞。高平是一位年轻的中国科学家，从清华大学毕业后，去哈佛大学攻读物理学博士学位。
贾弗里斯、高平和沃尔提出的虫洞方案与索恩的方案有所不同，前者提出的新虫洞并不适合长距离星际旅行，因为他们描述的虫洞连接了两个距离非常近的黑洞，而且“穿越这些虫洞比直接旅行更慢”，他们对长距离星际旅行持悲观态度。
新的虫洞是如何产生的？
但有一点是肯定的：要打开可穿越的虫洞，必须有大量的负质量。问题的关键在于负质量从何而来。
负质量在经典物理意义上是不可能的贝语网校，但量子力学可以产生负质量。最著名的例子就是卡西米尔效应——比如两块平行金属板之间的电磁真空态。理论和实验结果都表明，金属板之间的真空态具有负能量，这种能量被称为卡西米尔能量，这种负能量可以看作是负质量。因此，卡西米尔效应表明量子力学可以实现负质量，有助于打造可穿越的虫洞。如前所述，可穿越虫洞的技术细节，是要获得一个违反平均类光能量条件的能量动量张量。也就是说，可穿越虫洞的维持，需要一个具有负平均类光能量的物质场（因为根据爱因斯坦广义相对论，物质场会引起时空的曲率）。
三年前，贾弗里斯、高平和沃尔在研究了两个永恒 BTZ 黑洞边界间的相互作用后，发现这里可以产生一个平均类光能量为负的量子物质能量-动量张量，相当于出现了负质量，因此其反引力效应可以使爱因斯坦-罗森桥勉强可穿越（BTZ 黑洞是反德西特时空中的二维黑洞，但他们的结论同样适用于三维空间中的黑洞）。此时虫洞就是可穿越的，一个人如果跳进一个黑洞，就能从另一个黑洞中逃脱。
高平在接受采访时表示，“量子纠缠相当于一个不可穿越的虫洞，但是加入负质量物质之后，虫洞就变成可穿越的了。所以两个黑洞其实在事件视界之后是相通的。如果一个人跳进第一个黑洞的速度足够快，那么他其实已经非常接近第二个黑洞的事件视界了，虽然这个人还在黑洞内部。然后我们利用量子相互作用，产生负能量物质。当这种负能量物质进入黑洞之后，黑洞里的人一旦遇到负能量物质清华物理学家王，就能被推出去。”
高平强调，虽然两个黑洞在空间上距离很近，但连接它们的虫洞其实很长。
新的虫洞不会比光速快，但它可以帮助避免星际战争
在传统的虫洞研究中，一个核心问题是，如果一个人在短时间内通过虫洞在太空中旅行很长一段距离，比如在一秒钟内从地球到达银河系中心，那么在外界看来，这就像超光速运动，这种旅行必然违背相对论的因果关系，最终导致悖论。
1988年，索恩证明，如果虫洞很短，那么人们可以通过虫洞回到过去。这是一个非常有趣的结果，但是会引发一个悖论。因为如果通过虫洞的时间很短，那么按照简单的狭义相对论，就可以证明可以利用虫洞制造时光机回到过去，但是这会引起因果问题，比如一个人可以回到过去杀死自己的祖父，这就会导致“祖父悖论”。
“祖父悖论”说的是，如果一个叫小王的人能够回到过去，他就可以杀死他的祖父。当时，他的祖父还只是个孩子，还没有结婚生子，所以小王的父亲还没有出生。因此，小王没有父亲，也不可能出生。那么他怎么可能回到过去杀死他的祖父呢？因此，这是一个悖论。这个悖论说明，回到过去是不可能的。
因此，从祖父悖论的逻辑推理可以看出，即使存在可穿越的虫洞，也需要避免祖父悖论这样的因果困境。
贾弗里斯、高平和阿伦·沃尔的理论是通过某种量子效应，使不可穿越的虫洞变得可穿越，但他们的新虫洞并没有破坏因果关系，因为在他们的模型中，虫洞很长，在虫洞内旅行需要很长时间——因为在虫洞内旅行所花的时间比在虫洞外旅行所花的时间更长，这并不会造成祖父悖论。
高平在接受采访时表示，“两个黑洞可以通过虫洞连接起来，两个黑洞之间的距离非常近，而且之间存在很强的量子纠缠。我们的研究表明，连接两个黑洞的虫洞非常长，人类在这个虫洞中旅行需要很长时间，因此在虫洞中避免星际战争是有可能的。”
因此，新型虫洞并不是星际旅行的最佳选择，相反，新型虫洞可以看作是一个天堂，一个可以长期停留，避开外界星际战争的天堂岛。
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《全球科学》2019 年 4 月刊现已发售