理查德·F·霍尔曼是卡内基梅隆大学的物理学教授。他提供了以下回复
虫洞是爱因斯坦引力场方程的解,它充当“隧道”,以这样一种方式连接时空中的点:通过虫洞在点之间旅行所需的时间可能比通过正常空间旅行所需的时间少得多。
第一个类似虫洞的解是通过研究黑洞的数学解而发现的。在那里人们发现,该解本身可以扩展,其几何解释是两个黑洞几何体的副本,通过一个“喉咙”(称为爱因斯坦-罗森桥)连接。这个喉咙是一个动态物体,附着在两个孔上,非常迅速地收缩成它们之间狭窄的连接。
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理论家后来发现了其他虫洞解;这些解将虫洞任一端的各种几何形状连接起来。虫洞的一个惊人之处在于,因为它们可以充当时空中的“捷径”,所以它们必须允许时间倒流!这个特性可以追溯到通常的说法,即如果一个人可以以比光速更快的速度旅行,那就意味着我们可以与过去交流。
毋庸置疑,这种可能性令人不安;时间旅行会导致各种悖论情况,例如回到过去并在你父亲出生之前杀死你的祖父(祖父悖论)。现在的问题是,是否有可能实际构建一个虫洞,并以一种使其成为可用的时间机器的方式移动它。
虫洞几何结构本质上是不稳定的。唯一可以用来稳定它们以防止收缩的材料是具有负能量密度的材料,至少在某些参考系中是如此。没有任何经典物质可以做到这一点,但各种场中的量子涨落可能可以做到。
史蒂芬·霍金推测,虽然虫洞可能会被创造出来,但它们不能用于时间旅行;即使有奇异物质稳定虫洞以防止自身的不稳定性,他认为,将粒子插入其中也会迅速使其不稳定,从而阻止其使用。这被称为时间保护猜想。
虫洞是很有趣的理论,而且似乎是爱因斯坦方程的有效解。然而,没有关于它们的实验证据。这不应阻止任何有抱负的科幻小说作家在需要时使用它们!
威廉·A·希斯科克是蒙大拿州立大学博兹曼分校的物理学教授,也是蒙大拿太空资助联盟的主任。他补充了一些细节
虫洞是时空中类似隧道的连接,很像蠕虫在(牛顿)苹果中钻出的真实隧道。目前,时空虫洞只是从广义相对论推导出的理论结构;没有关于它们存在的实验证据。然而,理论物理学家研究包含虫洞的时空的数学特性,因为它们具有不寻常的特性。对这种奇怪几何形状的研究可以更好地区分广义相对论理论中允许的行为边界,并且可能还会提供对与量子引力相关的效应的见解。
虫洞有两个由“喉咙”连接的入口,并提供了一条旅行者可以遵循到达遥远点的路径。通过虫洞的路径在拓扑结构上与人们可以遵循到达同一目的地的其他路径不同。
拓扑结构上的不同是什么意思?如果一只蚂蚁想从苹果的一侧爬到另一侧,则表面上有许多可能的路径将起点连接到目的地。这些路径在拓扑结构上并不不同:固定在起点和终点,并且沿着这样一条路径延伸的弹性绳子,可以在表面上滑动和拉伸,以沿着任何其他这样的路径延伸。现在想象一下,蚂蚁实际上是通过苹果中的虫洞爬行的。一条穿过虫洞的绳子不能平滑移动,从而沿着一条表面路径延伸(或者穿过具有相同端点但路线不同的另一个虫洞)。
为了科幻小说的目的,通常假设时空中的虫洞代表了一条捷径——通过在虫洞隧道中旅行一小段距离,你可能会到达一个通过传统空间可能需要数光年的目的地。然而,就虫洞的理论物理学而言,没有特别的理由表明距离必须更短;虫洞实际上可能是更长的路线(类似于蠕虫可能在苹果中留下一个又长又复杂、扭曲的洞,其中入口和出口口可能在表面上彼此非常接近)。
虫洞可以存在于爱因斯坦方程的经典黑洞解中。然而,这些虫洞对旅行毫无用处,因为它们会在任何宇宙飞船(甚至是一束光)通过之前就坍塌。此外,坍塌的恒星形成的黑洞根本没有相关的虫洞。
“可穿越”虫洞存在于虫洞时空中,其中虫洞至少保持开放足够长的时间,以便信号或物体(宇宙飞船)通过。当加州理工学院的迈克尔·莫里斯和基普·索恩检查虫洞保持开放所需的一般特性时,对广义相对论中这种虫洞解的兴趣被激发了。他们发现,如果虫洞是静态且随时间不变的,那么它必须包含“奇异”物质。这种物质具有负能量密度和很大的负压(或张力)——其幅度大于能量密度。这种物质被称为“奇异”物质,因为它与所有已知形式的物质非常不同。
物理学家和化学家熟悉的所有形式的物质都具有正能量密度(或等效地,正质量),并且压力或张力在幅度上总是小于能量密度。例如,在拉伸的橡皮筋中,密度是张力的 1014 倍,或者说是 1 亿亿倍。理论物理学已知的“奇异”物质的唯一可能来源在于量子场论中某些真空状态的行为。这种可能性是目前大多数涉及虫洞的理论研究的重点。
这种研究表明,似乎很难利用量子效应来打开比与量子引力相关的特征长度(称为普朗克长度,约为 10-33 厘米)大得多的虫洞。如果虫洞没有大得多,那么它不仅对运输宇宙飞船毫无用处,而且还需要量子引力来描述这个洞。
L.H.福特和T.A.罗曼、布雷特·E·泰勒、威廉·A·希斯科克和保罗·R·安德森等人对虫洞时空中量化场的行为进行的分析表明,量子场效应不太可能使宏观虫洞保持开放。另一方面,戴维·霍克伯格、A.D.波波夫和谢尔盖·V·苏什科夫利用量子标量场的近似表达式找到了虫洞解,但必须对其工作中的量子引力的(未知)参数做出一些假设。
虽然目前看来自然界不太可能允许宏观虫洞的存在,但论证中仍然存在足够的不确定性,以允许理论物理学家继续研究时空这种奇怪而有趣的方面。
来自圣路易斯华盛顿大学的物理学助理教授马特·维塞尔的另一个回复
虫洞是在对爱因斯坦引力理论(广义相对论)的理论分析中出现的假设实体。没有人见过虫洞,我们也不确定它们是否存在,但是当我们进行计算时,它们似乎很容易出现,因此许多物理学家怀疑它们实际上可能存在于真实的宇宙中。
物理学家感兴趣的虫洞主要有两种类型:洛伦兹虫洞(广义相对论)和欧几里得虫洞(粒子物理学)。
洛伦兹虫洞本质上是穿越空间和时间的捷径。它们主要由爱因斯坦引力的专家研究,如果它们存在于现实生活中,则或多或少类似于《星际迷航:深空九号》中的虫洞。(但请记住,该节目只是娱乐,所以不要试图从 DS9 中提取详细的物理学;它最多只会给你一个关于正在发生的事情的大概的总体概念。)
关于洛伦兹虫洞的好消息是,经过大约十年的努力,我们无法证明它们不存在。坏消息是它们是非常奇怪的物体:如果它们存在,它们需要大量的负质量才能保持开放并阻止它们坍塌。(负质量不是反物质,它是一个宇宙能量小于普通真空能量的区域——绝对是奇怪的东西。)我们可以在实验室中获得少量的负能量(卡西米尔效应),但是利用当前技术获得保持一个像样的洛伦兹虫洞开放所需的大量负能量似乎是毫无希望的。(并且可能存在深层的原则问题阻止我们在一个地方收集大量的负能量。)
如果洛伦兹虫洞确实存在,那么从经典的角度来看,似乎相对容易将它们变成时间机器。这个令人尴尬的特性导致史蒂芬·霍金提出了他的时间保护猜想。根据这个猜想,量子效应将共同阻止时间旅行,即使经典物理学看起来可能允许时间旅行发生。
欧几里得虫洞更奇怪:它们存在于“虚时间”中,并且本质上是虚拟的量子力学过程。这些欧几里得虫洞主要引起粒子物理学家(量子场论学家)的兴趣。你不能从一个表现良好的经典引力场的角度给它们一个好的经典解释,而且不幸的是,你必须了解很多量子物理学才能理解它们的基本性质。
关于洛伦兹虫洞的通俗易懂的描述,可以参考基普·S·索恩的著作《黑洞与时间弯曲:爱因斯坦的惊人遗产》(诺顿出版社,纽约,1994年)。
英国广播公司(BBC)的《地平线》系列纪录片中有一集:《时间领主》,朱迪思·邦廷,1996年12月2日。
如果你了解一些微分几何、广义相对论和量子场论(难度不小),你可能会想看看马特·维瑟的《洛伦兹虫洞:从爱因斯坦到霍金》(美国物理学会出版社,纽约,1995年)。