虫洞（虫洞穿越的原理）

虫洞(wormhole)是1930年代爱因斯坦与纳森·罗森研究引力场方程时假设的，又称爱因斯坦-罗森桥，他二人认为虫洞是宇宙中可能存在的连接两个不同时空的狭窄隧道,因此透过虫洞可以做瞬时间的空间移转和时间旅行。

虫洞也可能通往其它太阳系，银诃系，平行宇宙及不同物理定律之其它宇宙

不过目前尚未发现其存在。

虫洞-内部结构图文解析

图中＋－号代表不可分割的最小正负弦信息单位-弦比特（string bit）

（名物理学家约翰.惠勒John Wheeler曾有句名言:万物源于比特 It from bit

量子信息研究兴盛后,此概念升华为，万物源于量子比特）

注：位元即比特

通过虫洞进行太空旅行听起来是个很有趣的想法。谁不想拥有能在短时间内跳上船、找到最近的虫洞并到达遥远地方的技术呢？这一技术将使太空旅行变得非常容易。当然，这个想法经常出现在科幻电影和书籍中。这些“时空隧道”可以让角色在瞬间穿越时空，而不必担心物理问题。

虫洞是真的吗？它们可能只是一种文学手段，让科幻小说情节继续发展。如果它们确实存在，它们背后的科学解释是什么？答案有点模棱两可。它们可能是广义相对论的直接结果，广义相对论最初是由阿尔伯特·爱因斯坦在20世纪初提出的。然而，这并不一定意味着它们存在，也不意味着人们可以乘坐宇宙飞船穿过它们。为了理解为什么会出现通过虫洞可以进行太空旅行这一想法，了解一些科学知识是很重要的。

虫洞是什么？

虫洞被认为是一种穿越时空，连接空间中两个遥远点的方式。一些流行小说和电影中经常会用到。典型例子如电影《星际穿越》，其中的角色使用虫洞作为通往银河系遥远部分的入口。然而，没有观测证据表明它们存在，也没有经验证据表明它们不在某个地方。关键是要找到它们，然后弄清楚它们是如何工作的。

稳定虫洞存在的一种方式是由某种外来物质创造和支持。说起来容易，但是这种奇异的材料是什么呢？制作虫洞需要什么特殊属性？从理论上讲，这种“虫洞物质”必须具有“负”质量。这就是它听起来的样子：具有负值的物质，而不是普通的、具有正值的物质。这也是科学家们从未见过的现象。

虫洞有可能利用这种奇异的物质自发地出现。但是，还有另一个问题——没有任何东西可以支撑它们。因此，它们会立刻坍缩。对于当时碰巧经过这里的任何船只来说，都不是较好的选择。

黑洞和虫洞

如果自发的虫洞不可行，有没有其他方法来创造它们？理论上说可以。这要感谢黑洞，它们与一种被称为爱因斯坦-罗森桥的现象有关。虫洞本质上是由黑洞的时空扭曲造成的。具体地说，它必须是史瓦西黑洞（史瓦西黑洞就是所谓的“寻常黑洞”。它是直接由较大的恒星演化而来的。恒星到晚期时核燃料消耗殆尽，辐射压（光压）急剧减弱，星体在其自身引力的作用下坍缩。若质量（指原恒星的质量）大于3倍的太阳，其产物就是黑洞。在宇宙空间里，此类黑洞具多数，其最大质量一般不超过50.2倍的太阳），它的质量是静态（不变）的，不旋转，没有电荷。

那么，这是怎么做到的呢？本质上说，当光落入黑洞时，它会穿过虫洞，然后从另一边通过一个被称为白洞的物体逸出。白洞类似于黑洞，但它不是吸进物质，而是排斥物质。光会以光速从白洞的“出口”被加速，使它成为一个明亮的物体，因此有了“白洞”一词。

当然，这一想法很快被现实打了脸：一开始就试图穿过虫洞是不现实的。这是因为这段旅程需要坠入黑洞，这是一种非常致命的经历。任何经过视界的东西都会被拉伸和挤压，包括生命在内。简单地说，在这样的旅行中是不可能生存下来的。

克尔奇点和可穿越虫洞

还有另一种情况，克尔黑洞可能会产生虫洞。它看起来会与天文学家认为构成黑洞的普通“奇点”大不相同。克尔黑洞会形成环状结构，有效地平衡巨大的引力和奇点的转动惯量。

因为黑洞的中间是“空”的，所以人们有可能穿过那个点。环中间的扭曲时空可以作为虫洞，允许旅行者穿越到空间的另一个点。这个点也许在宇宙的另一端，或者在另一个宇宙中。克尔奇点比其他虫洞有明显的优势，因为它们不需要使用外来的“负质量”来保持稳定。然而，这些还没有被观察到，只存在于理论中。

我们哪天可以用虫洞？

撇开虫洞机制的技术方面不说，即使有一些物理基础的支持，或者说如果虫洞确实存在，也很难说人们是否能够学会使用它们。另外，人类甚至还没有星际飞船，所以想办法利用虫洞旅行真的是本末倒置。

还有一个明显的安全问题。在这一点上，没有人确切地知道在虫洞里面会发生什么。我们也不知道虫洞能把飞船送到哪里。它可能在我们自己的星系，也可能在遥远的宇宙的某个地方。另外，还有些事情值得思考。如果虫洞把飞船从我们的星系带到数十亿光年之外的另一个星系，那就需要考虑整个时间问题。虫洞能瞬间传送吗？如果是这样，我们什么时候才能到达那遥远的彼岸？旅行是否忽略了时空的膨胀？

因此，虽然虫洞存在并作为穿越宇宙的入口是可能的，但人们要想找到方法应用虫洞的可能性是相当小的。

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解析:

“虫洞”理论

60多年前，爱因斯坦提出了“虫洞”理论。那么，“虫洞”是什么呢？简单地说，“虫洞”是宇宙中的隧道，它能扭曲空间，可以让原本相隔亿万公里的地方近在咫尺。

早在20世纪50年代，已有科学家对“虫洞”作过研究，由于当时历史条件所限，一些物理学家认为，理论上也许可以使用“虫洞”，但“虫洞”的引力过大，会毁灭所有进入的东西，因此不可能用在宇宙航行上。

随着科学技术的发展，新的研究发现，“虫洞”的超强力场可以通过“负质量”来中和，达到稳定“虫洞”能量场的作用。科学家认为，相对于产生能量的“正物质”，“反物质”也拥有“负质量”，可以吸去周围所有能量。像“虫洞”一样，“负质量”也曾被认为只存在于理论之中。不过，目前世界上的许多实验室已经成功地证明了“负质量”能存在于现实世界，并且通过航天器在太空中捕捉到了微量的“负质量”。

据美国华盛顿大学物理系研究人员的计算，“负质量”可以用来控制“虫洞”。他们指出，“负质量”能扩大原本细小的“虫洞”，使它们足以让太空飞船穿过。他们的研究结果引起了各国航天部门的极大兴趣，许多国家已考虑拨款资助“虫洞”研究，希望“虫洞”能实际用在太空航行上。

宇航学家认为，“虫洞”的研究虽然刚刚起步，但是它潜在的回报，不容忽视。科学家认为，如果研究成功，人类可能需要重新估计自己在宇宙中的角色和位置。现在，人类被“困”在地球上，要航行到最近的一个星系，动辄需要数百年时间，是目前人类不可能办到的。但是，未来的太空航行如使用“虫洞”，那么一瞬间就能到达宇宙中遥远的地方。

据科学家观测，宇宙中充斥着数以百万计的“虫洞”，但很少有直径超过10万公里的，而这个宽度正是太空飞船安全航行的最低要求。“负质量”的发现为利用“虫洞”创造了新的契机，可以使用它去扩大和稳定细小的“虫洞”。

科学家指出，如果把“负质量”传送到“虫洞”中，把“虫洞”打开，并强化它的结构，使其稳定，就可以使太空飞船通过。

虫洞，这个科幻园地中的主题，今天已从纸面跃出，成为天文学家搜索的目标。虫洞为何那么吸引人?因为它为星际航行提供了一条捷径。例如从地球飞往最近的邻居——半人马座——比邻星，将要飞奔4光年的旅程，而通过虫洞，却只需几小时就够了。

其实，远在广义相对论发表后不久，科学家就在理论上发现了虫洞的存在，但此后，对它的研究进展很慢，它的不少性质仍然十分模糊。例如，它仅能让光线通过?抑或也可使飞船穿行？直到1988年，美国加州工学院的桑恩等人，对虫洞作了较为深入的研究，才肯定虫洞的两端皆可出入，并非像黑洞那样是“单行道”。此外，旅行者在洞内仅受到一般的加速度。不像在黑洞中，若你的脚指向黑洞中心，那么巨大的引力场，会在头足之间构成极大的拉力差，足可把身首撕开。

桑恩还提出了构造虫洞的概念，当然是理论上的。他说，这涉及到对宏观空间的挖破和扭曲。生活在二维空间(如纸面)的智慧蚂蚁，它想从纸面上的一点走到另一点，按常规，只有一种办法，即沿着连接该两点的直线走去，这也是两点间的最短距离。但还有一种距离更短的走法：把纸对折成两面，使两点靠得很近，再用一个纸筒(它提供了通过第三维的一条捷径)将两点接通，蚂蚁可经纸筒而到达彼点。为此，蚂蚁必须在纸面上挖出两个孔。在这一例中，纸筒十分类似于通过更高强空间的虫洞。故欲构筑虫洞，必撕破空间。

空间不是空空的吗，怎样去撕破，挖孔?实难想象。但相对论早就告诉我们，引力能弯曲空间。桑恩说，空间的裂口处，时空会出现陡峭的势态，就如黑洞中心的那种情况。但他承认，由于没有一个成熟的量子引力理论，对这个问题很难深入讨论下去。

从理论可知，虫洞内的空间被扭曲得极不自然，以致无法使它保持畅通，即使能开通，也只是一瞬间。但虫洞却可让奇异物质通过，为何奇异物质受此优待呢?这还得从相对论谈起。

爱因斯坦认为，引力来自物质的两种全然不同的性质。一种是大家熟知的，质量密度越大，引力场也越强，由于物质的质量跟能量是等价的，故可说，能量密度(单位体积内所含的能量)对引力作出贡献；另一种是物质对周围所施加的压力，就像气体对容器壁所做的那样，但是这种压力原则上可正可负。

若跟物质内所含的能量相比，这种压力就小得微不足道。但桑恩说，有一种物质却具有极大的负压，奇异物质就明显地具有这种特性，且其负压之大，超过了它的能量密度。从而使得奇异物质周围的空间，被扭曲得十分奇怪，跟一般物质的扭曲情况相比，正好改变了空间扭曲的“符号”，具体地说，其引力具有排斥性。

按现代宇宙学理论，在宇宙创生后立即驱使宇宙急速膨胀的力，正是“奇异”真空的具有极大负压的排斥性引力。宇宙暴胀可能提供一种保持虫洞开放的手段。一些物理学家认为，暴胀可能造成“宇宙绳”环(宇宙理论中的一种物质)，当量子虫洞和宇宙绳环同时暴胀时，有可能产生宏观的开通的虫洞。此外，他们还相信，先进文明所创造的人工虫洞，可能用奇异物质的“支柱”来保持虫洞的畅通。故桑恩的虫洞，可谓之奇异物质虫洞。

科学家麦可思提出了磁虫洞的理论。他说，极强烈的磁场将能弯曲时空而形成虫洞。根据相对论，任何含有能量的东西(包括磁场)，皆能弯曲空间。远在20年代，一位意大利理论家莱特，就在爱氏方程中找到了磁引力。

莱特的理论说，在一个由螺线管产生的磁场中，螺线管内形成了一个引力磁，但要获得这种人工引力场，磁场需十分巨大。据麦可思说，莱特的磁引力跟桑恩的虫洞极相似。麦可思说：“其理论的实际意义，就是一个磁虫洞。”他说，若在实验室内用2.5T(特斯拉)的磁场，即可构造出一个磁虫洞，洞的半径极大，约为150光年，若欲将此虫洞的半径压缩到实验室的尺度，则所施加的磁场需大到10亿T，这显然超出目前人类的科技能力(最大人工磁场约10T)。但麦可思说，在天空中必定能找到这种磁虫洞，因为中子星表面的磁场达10亿T，在那里，磁虫洞将自发地产生。

磁虫洞有一个优点，按麦可恩的说法，它比较容易测量验证。由于磁引力也将影响光线，“在引力场中，光速将减慢。若光线通过螺线管时，其速度低于真空中的光速”，即可证明磁虫洞的存在。

不论奇异物质虫洞或磁虫洞，只要它们存在于天空之中，就能从地球上测得它们的特征性信号。若一个虫洞嘴处在地球和某一恒星之间，那么虫洞的引力将引起这一恒星的光产生异常的波动，将使我们看到一个两边特别明亮中间较暗(星光)R光学像。为何如此奇怪?这要谈到负(质量)物质和引力透镜。

据俄科学家诺朱可夫的理论，当物体进入虫洞，“入口”处明显地增大质量，而同时在“出口”处，则立即失去对应的这份质量。即使此物体已穿出虫洞，也仍会留下这些痕迹：虫洞的一边将保持其已获得的质量，而另一边最终则呈现负质量。

负（质量）物质具有明显的特性，它只具有排斥性引力，因而能将其周围的任何物质都向四周扫出，且对光线的运动造成极大的扭曲。

通常的物质（即正质量物质），若正好通过地球与某一恒星之间，其引力将弯曲和放大这一恒星向地球射来的星光，很像一个聚光镜的行为。天文学上称之“引力透镜”效应。具体地说，我们这时将看到这一恒星星光比平时亮得多。若这个经过地球恒星间的天体，是由负物质构成的，那又将如何?它也将弯曲星光，但由于其具有排斥性引力，故弯曲星光的情况迥然不同。星光经它身旁时，会出现所谓焦散现象，即星光从透镜（负物质天体）的轴线处被推出，而在两边上聚焦。这意味着，当负物质天体运动在地球与某一恒星之间时，我们将看到，这个恒星不是像平时那样的一个光点，而是在亮度上出现两个突然增亮的跳跃。这种“双峰”亮度特征信号是十分明显的，故为探测出虫洞提供了一个方便之门。

桑恩之所以去研究“虫洞”，有个很重要的直接原因是因为好友卡尔.萨根的求助；当时卡尔.萨根正构思一个科幻题材，和桑恩讨论虫洞的想法，桑恩遂极感兴趣，为此研究了虫洞的可行性并推导了虫洞模型。

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