量子物理学领域内虫洞或真实存在 想靠它开展空间旅行却不太实用

虫洞是科幻小说中很受欢迎的一个元素，通过它航天器可以实现超光速(FTL)旅行，从时空的一个点瞬间移动到另一个点。虽然广义相对论不允许“可穿越虫洞”的存在，但最近的研究表明，在量子物理学领域内，虫洞实际上是可能存在的。

唯一的缺点是，它们实际上要花比正常空间更长的时间穿过，而且/或者可能是微观的。在一项由一对常春藤科学家领导的新研究中，超越标准模型的物理学的存在可能意味着，不仅有大到足以穿越的虫洞，而且对于从A地到B地的人类旅行者来说是非常安全的。

这项名为“人类可穿越虫洞”的研究是由高级研究学院理论物理学卡尔·P·范伯格教授Juan Maldacena和普林斯顿大学天体物理学毕业生阿列克谢·米莱金(Alexey Milekhin)共同完成的。这对搭档在过去写了大量关于虫洞的文章，以及虫洞是如何成为一种安全穿越太空的工具。

关于虫洞的理论在20世纪早期出现，以回应爱因斯坦的广义相对论。第一个假设黑洞存在的是德国物理学家和天文学家卡尔·史瓦西(Karl Schwarzschild)，他对爱因斯坦场方程(史瓦西度规)的解答导致了黑洞存在的第一个理论基础。

史瓦西度规的一个结果就是他所说的“永恒的黑洞”，本质上是时空中不同点之间的连接。然而，这些史瓦西虫洞(又名爱因斯坦-罗森桥)是不稳定的，因为对于任何从一端到另一端的东西，它们坍塌得太快。

正如Maldacena和Milekhin解释的那样，可穿越虫洞需要特殊的环境才能存在。这包括负能量的存在，这在经典物理学中是不允许的，但在量子物理学中是可能的。他们声称，卡西米尔效应就是一个很好的例子。在卡西米尔效应中，量子场沿闭合圆传播时产生负能量。

然而，这种效应通常很小，因为它是量子效应。在我们之前的论文中，我们意识到这种效应对于带大磁荷的黑洞来说会变得相当大。新的想法是使用带电荷的无质量费米子(类似电子但质量为零的粒子)的特殊性质。对于带磁荷的黑洞来说，它们沿着磁场线运动(在某种程度上类似于太阳风的带电粒子在地球极地附近产生极光)。

这些粒子可以通过进入一个点并在周围的平面空间开始出现的地方绕圈运动。这意味着“真空能量”可以被修正为负的。这种负能量的存在可以支持稳定的虫洞的存在，它是时空点之间的桥梁，在有机会穿越它之前不会崩溃。

这样的虫洞是基于物质是粒子物理学标准模型的一部分。唯一的问题是，这些虫洞必须是微小的，并且只能在非常小的距离内存在。对于人类旅行来说，虫洞必须很大，这需要超出标准模型的物理。

对于Maldacena和Milekhin来说，这就是Randall-Sundrum II模型(又名五维弯曲几何理论)发挥作用的地方。这个模型以理论物理学家Lisa Randall和Raman Sundrum的名字命名，它从五维的角度描述了宇宙，最初被提出是为了解决粒子物理学中的一个层次问题。

Randall-Sundrum II模型是基于这样一种认识，即这种五维时空也可以描述比我们通常探索的能量更低的物理，但它可能会逃过探测，因为它只通过引力与我们的物质偶联。事实上，它的物理学类似于在已知的物理学中加入许多强相互作用的无质量场。因此，它会产生所需的负能量。

从外部来看，Maldacena和Milekhin得出结论，这些虫洞类似中等大小的带电黑洞，会产生同样强大的潮汐力，这是航天器需要警惕的。他们声称，要做到这一点，潜在的旅行者在通过虫洞中心时将需要一个非常大的助推因子。

假设这是可能的，问题仍然是这些虫洞是否能充当时空两点之间的捷径。如上所述，哈佛大学的Daniel Jafferis(也考虑了爱因斯坦和Nathan Rosen的工作)先前的研究表明，尽管有可能，稳定的虫洞实际上要比普通空间花更长的时间才能穿过。

然而，根据Maldacena和Milekhin的研究，从旅行者的角度来看，他们的虫洞几乎不需要花什么时间就能穿过。从一个局外人的角度来看，旅行时间将会更长，这与一般相对论一致——当人们以接近光速旅行时，将会经历时间膨胀(也就是说，时间变慢了)。正如Maldacena和Milekhin所说：

“如果宇航员要穿过虫洞，他们只需要1秒的时间就能走完1万光年的距离(大约5万亿英里或银河系大小的1/10)。一个没有穿过虫洞而呆在外面的观察者看到他们花了一万多年的时间。这一切都不需要燃料，因为重力会使飞船加速和减速。”

另一个好处是穿越这些虫洞可以不用燃料，因为虫洞本身的引力会加速和减速宇宙飞船。在太空探索的场景中，飞行员需要驾驭虫洞的潮汐力，使飞船处于合适的位置，然后让大自然来完成剩下的工作。一秒钟后，他们就会出现在银河系的另一边。

对于那些认为虫洞有朝一日可能成为太空旅行手段的人来说，这听起来可能令人鼓舞，但Maldacena和Milekhin的研究也出现了一些明显的局限性。对于新手来说，他们强调可以穿越的虫洞必须使用负质量来设计，因为没有合理的机制存在于自然形成中。

虽然这是可能的(至少在理论上)，但必要的时空配置需要提前出现。即便如此，所涉及的质量和规模如此之大，这项任务将超出我们所能预见的任何实用技术。其次，这些虫洞只有在空间寒冷平坦的情况下才安全，而Randall Sundrum II模型之外的情况并非如此。

最重要的是，任何进入虫洞的物体都会加速，甚至无处不在的宇宙背景辐射也会带来巨大的危险。然而，Maldacena和Milekhin强调，他们的研究是为了证明可穿越虫洞的存在是“广义相对论和量子物理学之间微妙的相互作用”的结果。

简而言之，虫洞不太可能成为穿越空间的实用方式——至少，在任何可预见的方式下都不可能。也许它们不会超越Kardashev Type II或Type III文明，但这只是猜测。即便如此，知道科幻小说中的主要元素并非超出可能的范围，还是挺令人鼓舞的。