从奇点到虫洞:广义相对论专题选讲（黑洞能被摧毁吗？什么样的虫洞才能成为星际旅行的通道？科普作家卢昌海将为您细致解读）_卢昌海著_9787302327394

　　本书以能量条件为线索，对能量条件在其他一些广义相对论课题比如奇点与奇点定理、正质量定理、宇宙监督假设一并进行介绍。本书将以严谨的物理框架为基础，用生动的文笔，翔实的资料，为幻想般的问题寻找尽可能现实的答案。
　　通过本书您将会明白以下问题，黑洞能被摧毁吗？什么是彭罗斯猜想？白洞是真实还是幻想？虫洞可以构筑时间机器吗？时空的拓扑结构可以改变吗？黑洞能作为星际旅行的通道吗？什么是奇异物质？奇异物质存在吗？科幻影片中穿越虫洞的特技合乎物理吗？裸奇点会造成什么麻烦？“上帝”憎恶裸奇点吗？奇点是物理时空中的点吗？奇点的存在有多大的普遍性？什么样的虫洞才能成为星际旅行的通道？那通道一定是捷径吗？为什么像“正质量”那样貌似显而易见的特性在广义相对论中会成为难题？

　5.6由虫洞到时间机器
　　关于虫洞物理学，还有一个十分有趣的衍生课题，是我们要在本节中讨论的，那就是虫洞与时间机器的关系。这种关系听起来有些玄妙，对于熟悉相对论的人来说其实是不难想到的，因为虫洞作为连接两个时空区域的捷径，可以说是在某种意义上实现了超光速旅行。或者换一个说法，是在某种意义上使得类空事件之间的物理联系(因果联系)成为了可能这里所谓的“在某种意义上”是指从外部时空的角度来看。。另一方面，众所周知的是：在相对论中，类空事件的时序是与参照系的选择有关的。因此虫洞从某种意义上讲可以说是开启了因果颠倒的大门，而这正是时间机器的重要特征。因此，虫洞与时间机器是有可能存在联系的。
　　不过，在索恩和莫里斯研究虫洞时，也许是因为对虫洞本身倾注了太多注意力的缘故，忽视了像虫洞与时间机器的关系那样的衍生课题。但幸运的是，那样的忽视并没有持续太久。1986年底，索恩和莫里斯在芝加哥参加了一次天体物理学会议，身为老板的索恩做了一个学术报告(但不是有关虫洞的)，当时还是研究生的莫里斯则四处与人聊天，混个脸熟，其中有位聊天对象是中康涅狄格州立大学(Central Connecticut State University)的物理学家，名叫罗曼(Thomas Roman)。索恩和莫里斯有关虫洞的研究当时已接近完成，莫里斯就在聊天中介绍了该项研究。正所谓“当局者迷，旁观者清”，罗曼一听完莫里斯的介绍马上就问道：如果虫洞能让人以比光速更快的速度跨越空间距离，那是否意味着能用它旅行到过去？“一语点醒梦中人”，罗曼的问题让索恩和莫里斯大为震动，以至于索恩后来述及此事时再次“沉痛”检讨了自己的愚蠢读者们想必还记得，索恩的“第一次”检讨是在收到昔日学生佩奇的来信，提醒他可穿越虫洞破坏零能量条件这一结论能通过全局方法得到时所作的(参阅5.3节)。不过从两次检讨本身的时间顺序上讲，其实这次在先，那次在后。。
　　罗曼的问题使索恩和莫里斯立刻投入到了对虫洞与时间机器关系的研究之中(值得一提的是：学术交流是互惠的，受聊天的影响，罗曼自己后来也涉足了虫洞与时间机器领域的研究)，并在论文中添加了一个新的部分，叙述了一种利用两个虫洞构筑时间机器的方案。不久之后，他们又提出了一个新方案，将两个虫洞减少为一个。那个新方案就是目前文献中用虫洞构筑时间机器的标准方案(当然，不同文献在具体表述上各有特色，但基本思路是一致的)。
　　下面我们就对这个标准方案作一个简单介绍。这个方案是通过三个步骤构筑时间机器的：
　　(1) 构筑一个虫洞(或利用一个现成的虫洞)。在介绍时间机器的构筑时，为简单起见，人们通常略去虫洞本身的“工程学”细节，而将之抽象为一个对相距L的两条世界线(t,0,0,0)和(t,0,0,L)作等时连接的通道这里的L是虫洞的入口和出口之间沿外部空间(即不通过虫洞)所测得的距离。“等时连接”则是指进入虫洞和离开虫洞的时刻都可以视为t(这样做的条件是虫洞的长度从而穿越虫洞所需的时间相比于L可以忽略)。。
　　(2) 设法在虫洞的入口和出口之间产生一个时间差。这有许多办法可以做到。比如可以通过让出口相对于入口作高速运动后返回，利用狭义相对论的时钟延缓效应来做到这种利用狭义相对论的时钟延缓效应来产生时间差的方式在历史上曾引起过争议，并被冠以“时钟佯谬”之名，但实际上并无佯谬可言。，或通过将出口置于与入口不同的外部引力场中，利用引力场的时钟延缓效应来做到，等等。假定所产生的时间差为T，则这一步完成时虫洞所连接的两条世界线将成为(t,0,0,0)和(t+T,0,0,L)。
　　(3) 将虫洞出入口之间的距离L缓慢地缩小，直至接近于零这一步并非必需，而且并非一定得让距离L接近于零。事实上，距离L只要小于时间差T就可以了(感兴趣的读者请想一想，这是为什么？另外也请想一想，距离L“缓慢地缩小”中“缓慢”二字的用意何在？)。这一步完成后，虫洞所连接的两条世界线将变成(t,0,0,0)和(t+T,0,0,0)。
　　由上述三个步骤所构筑的连接(t,0,0,0)和(t+T,0,0,0)的虫洞就是一种时间机器，因为由入口往出口方向穿越这一虫洞会跨越幅度为T的时间，由出口往入口方向穿越这一虫洞则会跨越幅度为-T的时间。因此，这一时间机器既可以通向未来，也可以重返过去不过，从构造步骤中不难看出，这种时间机器所能让人重返的“过去”不是完全任意的，它必须晚于虫洞被构筑成时间机器的时刻。这一结论即时间机器不能让人重返它被构筑之前的年代被认为有可能是普遍成立的。这一结论不仅有很强的“现实”意义，而且还有很重要的理论意义，因为霍金曾经提出过一个针对时间机器的有趣的诘难，那就是：倘若时间机器的构筑是可能的，那为什么我们从未遇到过来自未来世界的时间旅行家呢？这个诘难的潜台词是：我们从未遇到过来自未来世界的时间旅行家，最有可能的原因是时间机器在整个时间长河中也就是永远都不曾被构筑过，而这背后最有可能的原因则是时间机器的构筑是不可能的。但假如时间机器不能让人重返它被构筑之前的年代，霍金的诘难就不攻自破了，我们也就不一定要得出这么悲观的猜测了。。
　　用虫洞构筑时间机器对于科幻作家来说可谓是喜出望外的事情，因为时间机器无论对于科幻作家还是他们的读者，都是吸引力堪与虫洞相比甚至犹有过之的东西(谁不想遨游未来或重返过去呢？)。事实上，早在虫洞、黑洞甚至相对论问世之前，科幻作家们就已创作出了不少有关时间机器或时间旅行的故事。比如著名英国科幻作家威尔斯(H. G. Wells, 18661946)早在1895年(即比狭义相对论的问世还早了十年)就发表了名为《时间机器》(The Time Machine)的著名小说。用虫洞构筑时间机器的设想虽问世很晚，但由于是从科学土壤里萌发出来的，且与虫洞这一热门概念紧密相通，因此大有后来居上的势头。在新的科幻小说或影片中，像普通机器那样“老土”的时间机器已基本淡出，取而代之的往往是用类似于穿越虫洞的文字或镜头表示的时间旅行用虫洞构筑时间机器除了是“虫洞”与“时间机器”这两个热门概念的“强强组合”外，还有一个引人注目的优点，那就是霍金等人在对时间机器进行研究后曾经发现：如果能量密度处处非负，则在任何有限时空区域内建造时间机器的努力都会产生奇点。这一结论被认为是对时间机器的一种严峻挑战。但用虫洞构筑的时间机器却是一个例外，因为虫洞的引进破坏了“能量密度处处非负”这一前提条件。。
　　但物理学家们的态度要谨慎得多，因为时间机器在物理学上一向是烫手的山芋。其中最烫手的就是由此引发的几乎无穷无尽的因果悖论这种悖论中最典型的是所谓的“祖父悖论”(grandfather paradox)，即时间旅行家重返过去后设法阻止自己的祖父母相识。这个悖论的“悖”理在于：时间旅行家的祖父母若无法相识，他的父亲就不会出生，从而也就不会有时间旅行家自己了。但时间旅行家自己若不存在，又怎能重返过去并阻止祖父母相识呢？。那些悖论是如此棘手，以至于在很长的时间里，时间机器被多数物理学家视为是幻想领域的东西，而非严肃课题。比如索恩研究时间机器的消息传出后，就曾接到过朋友的电话垂询，担心他会“走火入魔”。甚至他本人也担心虽然自己“老了，无所谓”，但此类消息有可能会影响学生的前程。当然，经过若干位物理学家的共同努力，如今的情况已有所改变，但时间机器依然是一个几乎在所有方面都有着高度争议性的话题。索恩自己的态度也非常谨慎。我们知道，索恩曾经跟霍金就宇宙监督假设打过赌，其中霍金的立场是“上帝憎恶裸奇点”。霍金对时间机器有一个类似的立场，叫做“自然憎恶时间机器”(Nature abhors a time machine)。用学术术语来说，霍金的立场叫做“时序保护假设”(我们在2.6节末尾提到过这一假设及其依据)，它通俗地说就是认为时间机器起码在宏观尺度上是不存在的。对于霍金的这一立场，索恩也曾考虑过打赌，但思虑再三后，却未敢下注。其原因用他自己的话说，是“我喜欢跟霍金打赌，但只打我有合理可能性会赢的赌”。索恩并且承认，就时序保护假设而言，无论从直觉还是亲自做过的计算来看，他都觉得“霍金有可能是对的”。
　　如果霍金是对的，即“自然憎恶时间机器”，那么用虫洞构筑时间机器就应该是不可能的。但索恩如上面三个步骤所显示的又明明已经至少在理论上找到了构筑时间机器的方法，这该做何解释呢？对此，美国物理学家沃尔德和杰罗奇提出了一种可能性，那就是虫洞一旦被构筑成时间机器，会在构筑成功的一瞬间就自动毁灭。因为在那一瞬间，任何细微的辐射都可以通过虫洞返回过去，与它自身相叠加。这种叠加过程可以在零时间内重复无穷多次，从而产生毁灭性的自激效应对于这种可能性，索恩本人持有一定的异议，他认为虫洞喉咙处的奇异物质会因负能量的缘故，而对辐射产生散焦(defocus)作用。这种散焦作用可以显著削弱辐射与它自身相叠加的效果，从而避免时间机器被摧毁。这方面以及更一般的有关“时序保护假设”的研究目前仍在进行之中。。
　　除去理论层面的考虑外，用虫洞构筑时间机器还面临着实际层面上的诸多困难。事实上，构筑可穿越虫洞本身就已如此困难，通过种种操作在其出入口之间产生可观的时间差无疑更是难上加难。从这个角度看，用虫洞构筑时间机器的前景是相当渺茫的。
　　　　