作為愛(ài)因斯坦廣義相對論一個(gè)推導結果，蟲(chóng)洞不僅給我們提供了穿越星際的便捷途徑，而且還可能變成時(shí)間機器允許我們回到過(guò)去。
“人類(lèi)誕生在地球上。這從不意味著(zhù)要滅亡于此?！?/p>
在很久的未來(lái)，農作物無(wú)法種植使得地球不再適宜居住。而人類(lèi)將不得不穿越星際，去深空之中尋找新的家園。
上面所說(shuō)的是2014年的科幻電影《星際穿越》所講述的故事。不過(guò)在現實(shí)中，離開(kāi)太陽(yáng)系進(jìn)入星際空間其實(shí)非常困難。舉例來(lái)說(shuō)，太空探測器旅行者1號在1977年升空，到現在它才抵達太陽(yáng)系的邊緣。
那么有沒(méi)有便捷途徑呢？愛(ài)因斯坦的廣義相對論給了我們希望，其理論所預言的蟲(chóng)洞就是通往星際空間的便捷通道，而該片中的宇航員就是利用蟲(chóng)洞來(lái)實(shí)現星際穿越的。
廣義相對論是愛(ài)因斯坦研究時(shí)空與引力關(guān)系的理論，它革新了牛頓時(shí)代的靜止時(shí)空觀(guān)，認為時(shí)間和空間并不是靜止不變的，而是可以變化和彎曲的。令?lèi)?ài)因斯坦沒(méi)想到的，相對論不僅引起了我們時(shí)空觀(guān)的一場(chǎng)革命，而且預言了宇宙中一系列奇異事件或現象——宇宙大爆炸、時(shí)間旅行、暗能量、以及黑洞和蟲(chóng)洞。我們可以說(shuō)，這些新發(fā)現是屬于廣義相對論的，屬于愛(ài)因斯坦的。
蟲(chóng)洞究竟是什么樣子？
1935年，愛(ài)因斯坦與他的好友、美籍以色列裔物理學(xué)家納森·羅森，在研究引力場(chǎng)方程時(shí)發(fā)現，對于彎曲時(shí)空來(lái)說(shuō)，在理論上可以有一個(gè)連接宇宙中兩個(gè)遙遠地點(diǎn)的捷徑。這就像一座山的兩端可以通過(guò)隧道進(jìn)行連接一樣。
但宇宙中的蟲(chóng)洞可不像山底的隧道那么容易開(kāi)鑿，自從蟲(chóng)洞這個(gè)概念提出幾十年來(lái)，頂尖的理論物理學(xué)家們對其的探討仍然是紙上談兵階段，不像宇宙大爆炸、黑洞這樣的現象已經(jīng)被觀(guān)測所證實(shí)。不過(guò)，隨著(zhù)思考的日益深入，關(guān)于蟲(chóng)洞的細節逐漸豐富起來(lái)。
假設宇宙中有一個(gè)蟲(chóng)洞，它會(huì )是什么樣子呢？其實(shí)非常簡(jiǎn)單。它有兩個(gè)洞口，例如有一個(gè)在地球附近，另一個(gè)在約26光年遠的織女星附近。兩個(gè)洞口通過(guò)在高維空間中延伸的隧道相連。這個(gè)隧道可以非常短，例如只有1千米，所以如果我們通過(guò)蟲(chóng)洞從地球抵達織女星，我們就可把路途從26光年縮減為1千米。所以說(shuō)，蟲(chóng)洞可以成為宇宙中的快捷通道。
具體的模樣如下圖所示。注意這里是把我們的宇宙空間畫(huà)成了二維而不是三維。這種把三維鑲嵌到二維上的圖示被物理學(xué)家稱(chēng)為鑲嵌圖。我們并不太清楚現實(shí)中宇宙是否會(huì )像圖中那樣彎曲，不過(guò)只有這樣蟲(chóng)洞才可能縮短旅途的距離。
雖然蟲(chóng)洞可以縮短旅途的距離，但并不是超越了光速。例如，你通過(guò)蟲(chóng)洞從地球抵達織女星，很顯然比穿過(guò)蟲(chóng)洞外的時(shí)空抵達的光線(xiàn)還要快，但是你在穿越蟲(chóng)洞時(shí)相對蟲(chóng)洞的速度是不能超過(guò)光速的。
另外，蟲(chóng)洞并不總是縮短時(shí)空的距離，有時(shí)洞內的路程會(huì )大于洞外的路程。如下圖。
在現實(shí)的三維空間中，蟲(chóng)洞看起來(lái)并不像一個(gè)隧道或一座橋，因為你只能看到它的洞口，而它的隧道是在四維空間里延伸，你無(wú)法直接看到隧道的模樣。其中，洞口看起來(lái)像一個(gè)巨大的玻璃球，如下圖：
蟲(chóng)洞不是黑洞
在上面圖中，你可以很明顯地看到洞口的邊界（箭頭所示）。注意這里的任何光都不是來(lái)自蟲(chóng)洞本身。其中，邊界外的邊緣扭曲的圖像是蟲(chóng)洞的洞口扭曲了周邊星系傳播過(guò)來(lái)的光線(xiàn)。這種現象被稱(chēng)為引力透鏡。邊界內則是洞口另一端的宇宙傳播過(guò)來(lái)的扭曲圖像。
許多人都認為蟲(chóng)洞不過(guò)是另一種黑洞而已，但這種觀(guān)點(diǎn)是錯的。其中的一個(gè)區別是，黑洞都有一個(gè)事件視界（一種任何物質(zhì)進(jìn)去之后有去無(wú)回的邊界），而并不是每個(gè)蟲(chóng)洞都具有事件視界。有一些蟲(chóng)洞具有事件視界，但并不是像黑洞那樣是因為存在一個(gè)密度無(wú)窮大的奇點(diǎn)，而是因為蟲(chóng)洞的隧道內引力引起的潮汐力過(guò)于強大。蟲(chóng)洞和黑洞另一個(gè)區別是，蟲(chóng)洞有兩個(gè)洞口并通過(guò)一個(gè)隧道相連，而黑洞只有一個(gè)洞口，洞口的盡頭是一個(gè)死胡同，任何物質(zhì)掉進(jìn)黑洞都會(huì )最終撞上內部的奇點(diǎn)。
下面的圖示簡(jiǎn)要地表明了蟲(chóng)洞和黑洞之間的差別。圖中的白線(xiàn)代表普通的時(shí)空，紅線(xiàn)代表黑洞內部的時(shí)空，其中的紅點(diǎn)代表奇點(diǎn)。
不止一種蟲(chóng)洞
另外很重要的事實(shí)，是蟲(chóng)洞不只有一種。一種分類(lèi)蟲(chóng)洞的方法是蟲(chóng)洞的隧道是否是基本穩定的，還是不穩定的（例如隧道不斷地開(kāi)啟然后閉合）。第二種分類(lèi)方式是，需要多少物質(zhì)才能創(chuàng )造出生成蟲(chóng)洞的引力場(chǎng)，一種只需要行星質(zhì)量的，而有一些需要好幾倍恒星質(zhì)量。另外，蟲(chóng)洞隧道的潮汐力的大小也是一種分類(lèi)蟲(chóng)洞的辦法。
接下來(lái)的我們來(lái)闡述兩種蟲(chóng)洞。一種是史瓦西蟲(chóng)洞，它是一種不穩定的蟲(chóng)洞。另一種是穩定的蟲(chóng)洞，它允許物質(zhì)穿過(guò)它，所以也可以說(shuō)是一種可穿行的蟲(chóng)洞。
不同的時(shí)空與史瓦西蟲(chóng)洞
物理學(xué)家首先提出來(lái)的蟲(chóng)洞是史瓦西蟲(chóng)洞，它是廣義相對論中愛(ài)因斯坦方程其中一個(gè)解的產(chǎn)物。
在研究愛(ài)因斯坦方程的過(guò)程中，物理學(xué)家發(fā)現除了時(shí)空中存在黑洞以外，還必須存在白洞。而白洞正好是黑洞的時(shí)間反演，里面的任何物質(zhì)都會(huì )向外運動(dòng)，穿過(guò)它的邊界（也稱(chēng)為事件視界）之后就再也無(wú)法回到內部。除了黑洞和白洞這兩個(gè)時(shí)空區域，還得有另外兩個(gè)彼此完全隔離的時(shí)空區域，稱(chēng)為兩個(gè)不同的“宇宙”。這兩個(gè)宇宙與黑洞和白洞的關(guān)系如下：白洞中的任何粒子和信號都可以進(jìn)入這兩個(gè)宇宙，但都無(wú)法返回到白洞里；兩個(gè)宇宙中的任何粒子和信號都可以進(jìn)入黑洞，但都無(wú)法在從黑洞中逃離，只能撞上黑洞內的奇點(diǎn)上；兩個(gè)宇宙彼此完全隔離，也就是它們之間沒(méi)有任何信息可以交流。所有四個(gè)區域可以由下左的時(shí)空圖來(lái)表示。
下左的時(shí)空圖是在一種特殊坐標系下的時(shí)空圖，圖中的每一個(gè)點(diǎn)代表著(zhù)一個(gè)二維球面。兩條對角線(xiàn)代表事件視界，它們把時(shí)空分成了四個(gè)區域：I和IV分別代表兩個(gè)彼此隔離的宇宙，II代表黑洞，III代表白洞。奇點(diǎn)出現在黑洞和白洞區域，以雙曲線(xiàn)的形式表示。（你可能注意到了白洞內部也有個(gè)奇點(diǎn)，這個(gè)很好理解：許多物理學(xué)家認為宇宙大爆炸其實(shí)就是一個(gè)白洞，而奇點(diǎn)就是大爆炸之前的那個(gè)密度無(wú)窮大的點(diǎn)。）
一個(gè)白熱的物質(zhì)環(huán)圍繞著(zhù)黑洞形成一個(gè)球形的大渦流，看起來(lái)好像在上面和下面同時(shí)彎曲過(guò)來(lái)。這是影片《星際穿越》中所呈現出的黑洞，它正以接近光速的速度進(jìn)行著(zhù)旋轉，同時(shí)其巨大的引力拖拽著(zhù)周?chē)臅r(shí)空并一起運動(dòng)。而這幅黑洞的影像可以說(shuō)很接近現實(shí)。
幾乎不可能的電腦特效
2014年底上映的好萊塢科幻大片《星際穿越》，講述的是一隊探險家利用新發(fā)現的蟲(chóng)洞，在廣袤的宇宙中進(jìn)行星際航行的故事。
關(guān)于黑洞和蟲(chóng)洞，我們在數學(xué)上、或者在科普寫(xiě)作中都有了很多表達，但基于科學(xué)理論的、直觀(guān)的影像呈現，這部影片是第一個(gè)嘗試的。為了保證銀幕上黑洞和蟲(chóng)洞的真實(shí)性，影片制作方請來(lái)了大名鼎鼎的黑洞和蟲(chóng)洞研究專(zhuān)家基普·索恩作為科學(xué)顧問(wèn)。
電影制作者所提出的故事是在一個(gè)遙遠的未來(lái)，氣候變化影響到農業(yè)，大部分農作物無(wú)法種植，地球上只剩下玉米一種糧食可以種植，人類(lèi)處在滅絕的邊緣。一位退役的宇航員被征召來(lái)進(jìn)行最后一次的飛行，一個(gè)不顧一切的嘗試，去尋找新的可適宜居住的星球來(lái)拯救人類(lèi)的命運。
然而我們都知道，其他的恒星離地球都非常非常遠，距離最近的比鄰星離我們大約有4.22光年，而遠的可達數百億光年。即使以接近光的速度去抵達比鄰星，都要花費好幾年的時(shí)間，更遑論其它星球？那么，怎樣才能實(shí)現真正的星際旅行呢？其實(shí)早在1983年，著(zhù)名科普作家卡爾·薩根所寫(xiě)的小說(shuō)《接觸》（后來(lái)拍成了電影《超時(shí)空接觸》）就面臨著(zhù)同樣的問(wèn)題，當薩根把這個(gè)困惑告訴好友索恩時(shí)，索恩認為人類(lèi)真要想進(jìn)行星際旅行，只能走捷徑、抄近道，他建議可以利用蟲(chóng)洞，一個(gè)通過(guò)高維時(shí)空來(lái)連接宇宙中兩個(gè)點(diǎn)的假想的快捷通道。
如今，《星際穿越》中的宇宙航行仍然需要蟲(chóng)洞。不過(guò)這次，作為《星際穿越》執行制片人的索恩得需要幫助電影制作者們解決一個(gè)很具體的難題——如何科學(xué)準確地在銀幕上呈現出蟲(chóng)洞。
這并不是電影特效團隊所頭疼的唯一物理學(xué)問(wèn)題?！缎请H穿越》的故事是基于時(shí)間膨脹效應——時(shí)間對于不同角色來(lái)說(shuō)流逝的速度不一樣。為了使電影中時(shí)間膨脹效應變得更加科學(xué)合理，索恩認為需要一個(gè)大質(zhì)量的黑洞——在電影里被叫做“卡岡圖雅”——并以接近光速來(lái)旋轉。作為這部影片的導演，克里斯托弗·諾蘭完全不知道黑洞是什么樣子。好在有索恩的幫助，《星際穿越》呈現出了一個(gè)與現實(shí)十分接近的蟲(chóng)洞和黑洞。
極為壯美的蟲(chóng)洞和黑洞
《星際穿越》擁有一個(gè)超過(guò)30名電腦專(zhuān)家的電腦特效團隊，這個(gè)團隊的帶頭人富蘭克林曾獲得過(guò)奧斯卡最佳視覺(jué)效果獎?，F在為了制作出完美的銀幕效果，他們搬來(lái)了數千臺電腦，在索恩的指導下，開(kāi)始了黑洞和蟲(chóng)洞的銀幕制作。
蟲(chóng)洞和黑洞的呈現都跟其附近光的彎曲有關(guān)，因為黑洞和蟲(chóng)洞都具有巨大的引力，經(jīng)過(guò)其附近的光線(xiàn)不可避免發(fā)生彎曲。以前的電影制作人通常用一種被稱(chēng)為“光線(xiàn)跟蹤”的技術(shù)來(lái)處理宇宙科幻大片中的光線(xiàn)和反射，但這種光線(xiàn)跟蹤軟件通常的合理假設是光線(xiàn)總是走直線(xiàn)的，而黑洞和蟲(chóng)洞，是宇宙中的極端現象，光線(xiàn)是要走彎路的。因此，電腦特效團隊不得不重新編譯一個(gè)新的渲染軟件，他們請求索恩算出一些方程來(lái)使得他們的特效軟件如同真實(shí)的物理定律那樣描述世界。
索恩把答案給了富蘭克林，不過(guò)是以大量的研究備忘錄形式給了他們。文章十分長(cháng)，來(lái)源詳實(shí)，充滿(mǎn)了公式，它們看起來(lái)更像學(xué)術(shù)論文。電腦特效團隊根據這些公式編寫(xiě)進(jìn)新的渲染軟件里，然后開(kāi)始去“紡織”出蟲(chóng)洞。當結果呈現出來(lái)后，它看起來(lái)像一個(gè)在宇宙映照出的水晶球，一個(gè)時(shí)空中的球形洞。
在成功地表現出蟲(chóng)洞之后，特效團隊準備嘗試用同樣的辦法去處理黑洞。但是黑洞如同它的名字一樣，是光線(xiàn)的末日——所有的光線(xiàn)都會(huì )被黑洞吞噬。連光線(xiàn)都沒(méi)有了，如何才能生動(dòng)地呈現出黑洞？事實(shí)上，一個(gè)最普通的黑洞看起來(lái)就像一個(gè)漆黑的盤(pán)子，唯一有趣的地方是它扭曲了周?chē)强盏谋尘皥D像。諾蘭十分希望特效團隊能把黑洞是球形的體現出來(lái)，富蘭克林想到，可以把黑洞套上一個(gè)吸積盤(pán)（一種由彌散物質(zhì)組成的、圍繞黑洞轉動(dòng)的盤(pán)狀結構）。
根據索恩的公式，特效團隊嘗試著(zhù)做了一個(gè)不太準確的樣本。他們制作了一個(gè)水平的多彩光環(huán)——一種類(lèi)似吸積盤(pán)的圖像，然后把它放在電腦里的旋轉黑洞上。一個(gè)非常非常奇怪的事情發(fā)生了——在根據數學(xué)方程精心制作出來(lái)的軟件中，黑洞周?chē)鷱澢目臻g同時(shí)也彎曲了吸積盤(pán)，光線(xiàn)產(chǎn)生了以個(gè)非同尋常的光圈。
最終的效果終于出來(lái)了：當光線(xiàn)被困在黑洞周?chē)鷷r(shí)，在黑洞的黑影周?chē)a(chǎn)生令人意想不到的復雜圖案——白熱的吸積盤(pán)出現在黑洞的上面、下面和前面，它看起來(lái)就像是一個(gè)碟子，那是星光彎曲造成的圖像（見(jiàn)上圖）。
基普·索恩看了看在他幫助下制造出的黑洞，然后想了想說(shuō)，“那就對了，那就是它該有的模樣?！彪娪疤匦ё罱K呈現的圖像，正是索恩所認為的最真實(shí)的黑洞圖像，而對于那些《星際穿越》的觀(guān)眾來(lái)說(shuō)，他們看到電影中的這些影像——蟲(chóng)洞、黑洞以及怪異的光線(xiàn)后，會(huì )說(shuō)，“哇噢！那個(gè)真美?！?/p>
是的，它們不僅美麗，而且還很真實(shí)。
為藝術(shù)而做的妥協(xié)
最后，我們要強調一下，盡管《星際穿越》里的黑洞是很真實(shí)地展現出來(lái)了，但嚴格來(lái)說(shuō)并不是真正的精確。事實(shí)上一些其他的效應被忽略了。如果把它們都考慮進(jìn)去的話(huà)，旋轉黑洞的吸積盤(pán)的一側會(huì )更亮且呈現藍色，另一側則更暗且呈現紅色。最終，吸積盤(pán)看起來(lái)很不對稱(chēng)。但是電影特效團隊認為這可能會(huì )導致廣大電影觀(guān)眾一頭霧水，而且缺乏震撼性，所以為了藝術(shù)性，他們忽略了這個(gè)效應。
聯(lián)系客服
