为什么穿越“虫洞”是不可能的？从物理数学角度来分析一下，揭秘虫洞的历史来龙去脉！

「封面」- 若地面附近有一个虫洞，它可能是这样的

大家好，我是科学羊🐑，今天周末我们再来一下这个非常有意思的话题——虫洞。

你肯定听过很多关于虫洞的科幻故事，但是你肯定没有听过关于虫洞的来龙去脉以及它背后的物理学知识。

来，我们一起来看看👀。

科幻小说中，虫洞常被描绘为太空旅行的捷径。

这种比喻常用一个二维的曲面来解释：想象一个苹果的表面，一面红一面绿，小虫子从红面爬到绿面需要走很长的距离，但如果小虫子能够直接从红面啃进去，走直线到达绿面，这条捷径就叫虫洞。

事实上，虫洞不仅是一个捷径，还可能通往更遥远的地方。

第一个在文学作品中使用虫洞概念的人是著名的天文学家兼作家卡尔·萨根。

卡尔·爱德华·萨根Carl Edward Sagan

1985年，萨根在康奈尔大学任教，同时也是SETI研究所的董事会成员。

SETI是一个寻找外星智慧生物的项目，总部设在加州大学伯克利分校。

为了提高SETI项目的知名度并募集资金，萨根决定制作一部关于外星人的电影《接触》，并亲自负责编写剧本。

虽然电影未能如愿拍摄，萨根却将剧本扩充成了一部科幻小说。

这对萨根来说是一件有趣的事情，因为他本身是一位天文学家，不会随便编造违反物理规律的情节。

小说的主角艾丽（Ellie Arroway）是一位天文学家和射电望远镜工程师，她在SETI项目中工作，最终通过望远镜接收到来自织女星（Vega）的信号。

这些信号包含了自然数中的最初261个质数，证明发出信号的文明达到了很高的智能水平。

进一步分析发现，信号中包含了一套复杂的机器设计图纸，只要制造出来就可以实现时空穿越。艾丽和同事们最终建成了这台设备，完成了智慧生物之间的首次接触。

萨根在写作过程中遇到了难题：如何设想一种符合物理规律的星际旅行方式？

他联系了加州理工广义相对论的专家基普·索恩（Kip Thorne）。

2017年，索恩因引力波探测获得诺贝尔物理学奖。索恩指出黑洞会摧毁任何进入其中的物质，建议使用虫洞的概念。

于是，1985年，虫洞穿越时空的情节首次出现在科幻作品中。

什么是虫洞？

简单来说，虫洞是一种连接宇宙中两个不同区域的捷径。

1957年，物理学家约翰·惠勒（John Wheeler）和他的学生为这种连接取名为“虫洞”。

最早的虫洞概念可以追溯到1935年，当时被称为爱因斯坦-罗森桥。

但这个“桥”的尺寸非常小，仅在普朗克长度的范围内（约10的负36次方米），无法通过实际物体。此外，这种虫洞非常不稳定，会因物质的引力而坍缩。

索恩建议萨根的虫洞具有一些特殊性质，因此可以比普朗克长度大很多。

索恩随后与学生一起深入研究这种新型虫洞，希望找到一种可以实现星际旅行的虫洞。

三年后，索恩和他的学生在《美国物理学期刊》上发表了论文《时空中的虫洞及其在星际旅行中的用途》，讨论了满足星际旅行的虫洞应具备哪些性质。

首先，虫洞的洞口需要负能量物质来维持稳定。

负能量物质是什么？

最初认为真空是能量的零点，比这个能量还低的物质就是负能量物质。

负能量物质具有奇特的物理规律，比如推一个负能量的箱子，它不会沿推的方向远去，反而会向你撞来。

量子理论认为，真空中时时刻刻有大量虚粒子对的产生和湮灭，负能量就会在其中出现。

但这只是理论计算的情况。荷兰物理学家提出的卡什米尔效应（Casimir Effect）是验证负能量的实验，1997年成功证明了负能量的存在。

卡什米尔效应是指在真空环境中，两片金属板在非常靠近时（几纳米的距离范围），会产生由负能量引起的吸附效应。

由于板子间只能存在特定波长的虚粒子对，板子外侧的虚粒子对远比板间多，于是板间的能量密度低于正常真空能量密度，造成负能量现象。

但问题是，负能量物质只能在纳米级别的尺寸下出现，一旦达到宏观尺度，负能量效应微弱得几乎不可测量。

维持一个虫洞需要的负能量物质非常多，相当于地球质量的500多倍。

而为了让航天器通过，虫洞的半径至少要有1千米，需要的负能量物质相当于整个太阳系的质量。

因此，现有资源无法创造这样的虫洞。

即使宇宙中存在负能量物质，我们也无法利用其维持虫洞。

黑洞的视界面附近可能存在负能量物质，但聚集的负能量物质会产生巨大的负引力源，使接近它的物质被扯碎。

虫洞的喉咙部位张力最大，必须足够大才安全。

根据索恩和他的学生的计算，半径远大于一光年的虫洞才不会将生物扯碎。维持这种虫洞需要的负能量物质相当于整个银河系所有发光星体质量的100倍。

虫洞旅行的希望与现实

索恩和他的学生证明，虫洞的诞生需要改变空间的拓扑结构。

这意味着空间中存在闭合类时曲线，即一个事物可以沿一定轨迹回到最初的位置和时间，这不是穿越时空吗？而我们的世界中时间单向流动，无法满足这一条件。

从宇宙学角度，也是不可能的，因为——熵增定律！

因此，从物理原理上，利用虫洞进行太空旅行是不可能的。

总的来说，无论通过火箭还是时空改造，人类在很久的未来，旅行范围都无法超过几亿公里。

尽管虫洞旅行在科幻小说中充满魅力，但现实中的科学原理使其成为一种无法实现的梦想。

结语

虫洞的概念激发了无数科幻作家的想象力，也带给我们许多精彩的故事和创意。

然而，正如索恩和萨根的研究所示，虫洞在现实中面临巨大的科学挑战，而且这种调整就目前来看是违背了自然规律...

尽管我们无法利用虫洞进行星际旅行，但探索虫洞的过程让我们对宇宙的理解更加深入。

虫洞代表了人类对未知的无限追求，即使它们无法在现实中实现，它们依然在科幻文学中扮演着重要角色，激励着人们不断探索宇宙的奥秘。

你是怎么看虫洞呢？请留言告诉我，我们一起讨论。

好，今天先这样啦～

科学羊🐏  2024/07/06

祝幸福~

参考资料：

[1].https://www.dedao.cn/course/article?id=Ozpeyw8lG6QaXknobgJRd1ZoA75NLB

[2].卓克·科技参考｜本篇核心内容来源得到APP卓克科技参考，更多知识欢迎订阅得到

「感恩关注，科学羊持续为您带来最好的科普知识」

往期推荐