若想在21世纪大大提速这一旅行，你需要类似虫洞这样的东西（见第13章）。
未来的技术
对技术很在行的科学家和工程师们投入了很大精力去构思一些未来的技术，这些技术使得接近光速的旅行变得可能。通过网络你能找到很多相关思路。我认为实现其中任何一个都将花去人类诸多个世纪的时间。但是它们让我确信，高度发达的文明是能够以1/10光速或更高速度在星际间穿行的。
下面是3个我感兴趣的例子，都是非常超前的近光速推进技术。
热核聚变推进系统的实现时间表——22世纪晚期？
热核聚变（thermonuclear fusion）是3个想法中最为传统的一个。发展地球上受控核聚变发电站的研发工作肇始于20世纪50年代，而其最终完成应该不会早于21世纪50年代。这是整整一个世纪的研发工作啊！这真实地反映了问题的困难程度。
那么，21世纪50年代的核聚变发电站对太空飞船速度的推进来说意味着什么呢？最为实用的设计应该会达到100千米每秒，到21世纪末可能会达到300千米每秒。而若想实现接近光速的旅行，人类就需要找到驾驭核聚变的全新方法。
简单计算一下就能看出核聚变的潜力：当两个氘（重氢）原子发生聚变形成一个氦原子的时候，其静止质量的0.006 4（接近1%）会转变成能量。假设这些能量全部转换成氦原子的动能（运动的能量），那这个氦原子将能以大约1/10的光速向前运动。[2]这意味着如果我们能把所有氘燃料的聚变能转换成太空船的有序运动，那么我们将可能把太空船的速度提高到光速的1/10左右，如果我们足够聪明的话，这个速度还能再快一点儿。弗里曼·戴森（Freeman Dyson），一位我非常尊敬的天才物理学家，在1968年描述并分析了一个推进系统的雏形，在一个足够高级的文明手中这一系统应该可以达成目的。
在戴森最乐观的估计下，若在直径20千米的半球激波吸收器的后面引燃热核炸弹（“氢弹”，见图12-2），炸弹产生的激波会推动飞船向前加速到光速的1/30。更加仔细的设计可能会表现得更好。1968年，戴森估计这种推进系统的实现不会早于22世纪晚期——从现在算起还要150年。我觉得还是过于乐观了。
引自戴森1986年的文章
图12-2 弗里曼·戴森的炸弹激发推进系统
激光束与光帆技术的实现时间表——22世纪？
1962年，另一位让我尊重有加的物理学家罗伯特·福沃德（Robert Forward）在一本流行杂志上写了一篇短文，主要介绍的是利用远程聚焦激光束驱动太空帆来推进飞船加速（Forward 1962）。1984年，他又写了一篇技术性文章，进一步完善了这一概念，使之更加精准（见图12-3）。
在太空中或者月球上建立一个太阳能激光阵列，能产生功率高达7.2万亿瓦的一束激光（大约相当于2014年全美用电量的两倍）。这束激光会通过一个1 000千米的菲涅尔透镜聚焦到一片远程太空帆上，而太空帆的直径为100千米，重1 000吨，被附着在一架质量小得多的太空船上。（这束激光的指向精度大约是百万分之一角秒）。激光的光压会推动太空帆和太空船向前加速，用这一方法到达比邻星需要80年，而在到达一半路程的时候，飞船的速度会高达光速的1/5。另外，通过修改此方案还能够在旅行的后半程使太空船减速，以至于在到达目的地时，其速度会低到足以与行星会合。（你能想出减速是如何实现的吗？）
图12-3 罗伯特·福沃德的激光束与光帆推进系统
像戴森一样，福沃德也猜想他的方案能在22世纪实现，但以我对技术挑战的了解，这一时间还是过于乐观了。
双黑洞的引力弹弓
第三个例子是我自己的。我改编了戴森1963年提出的想法。它是一个疯狂的改编版——非常疯狂！
假设你想用自己生命中的几年时光以接近光速飞跃宇宙（不仅是恒星际的旅行，而且是星系际的旅行），那么你可以利用两个互相绕转的黑洞，即双黑洞。它们必须处于极其椭圆的轨道上，而且必须足够大，否则它们的潮汐力会毁掉你的飞船。
通过使用化学或者核燃料,你可以驾驶飞船接近双黑洞系统中的一个,进入所谓的变焦 - 旋转轨道(zoom-whirl orbit,见图 12-4)。
你的飞船应首先向黑洞（变焦）降落,绕黑洞旋转几圈,之后等待黑洞运行到几乎正对着它的“同伴”时,(变焦)飞离黑洞,与伴黑洞交汇,滑入伴黑洞的旋转轨道。如果这两个黑洞还是彼此相向而行的话,那么经过短暂的旋转后,飞船还可以(变焦)升轨回到第一个黑洞去。如果两个黑洞已经不再相向而行,那么飞船就要在旋转轨道上待久一些；你必须把自己驻留在第二个黑洞的轨道上,直到两个黑洞下一次碰头时,再回到第一个黑洞。用这种办法——总是等双黑洞彼此接近的时候去跃迁,你的飞船就能加速得越来越快。只要双黑洞的轨道足够椭圆,你想多接近光速就能多接近。
这个方案的非凡之处是，你只需极少的火箭燃料去控制在每个黑洞边上该待的时间。关键在于，飞船应进入黑洞的临界轨道，以及在那里对回旋进行控制。我会在第26章讨论临界轨道，现在我们只需知道它是一个高度不稳定的轨道就足够了。这很像在光滑的火山口边缘上骑摩托车。如果你能精巧地拿捏住平衡，那么你想待多久都可以。当你想离开的时候，只要略微转动前轮，就能从边缘上猛冲下去。同理，当你想离开临界轨道的时候，只需轻轻地点燃火箭助推器，离心力就会占据主导地位，把你的飞船送向另一个黑洞。
一旦你达到了想要的接近光速的速度，就可以发动火箭离开临界轨道，飞向宇宙深处的目标星系（见图12-4和图12-5）。
图12-4 变焦-回旋轨道能把飞船的速度提升到接近光速
图12-5 发动火箭离开临界轨道，飞向遥远的星系
图12-6 双黑洞系统内的减速弹弓效应
这趟旅行路途遥远，差不多有100亿光年的距离。但当你移动的速度接近光速的时候，你的时间流逝比起地球将大为减缓。如果你足够接近光速，就能按照自己的设想在几年甚至更短的时间里到达目的地——按照你测量的时间。可能的话，你还可以在目的地附近找一个用来减速的高度椭圆轨道双黑洞系统，详见图12-6。
你也可以用同样的方法回家，但你的归来可能不会非常愉快。因为地球已经过去了十几亿年，而你的年龄只长了几岁。想象一下，你会面对什么样的景象？
这种类型的引力弹弓效应能够提供一种方法，以跨越星系际尺度的距离，然后把文明散播出去，主要的障碍（也许是难以逾越的）是如何找到或者制造所需要的双黑洞系统。如果你处于一种足够发达的文明之中，那么发射端的系统可能还不是问题，但减速系统就另当别论了。
如果没有减速双黑洞，或者有，但是你错过了它们，你会遭遇到什么？这是一个非常棘手的问题，因为宇宙正在膨胀。想想吧！
这3种遥远未来的推进系统看起来真的令人兴奋，但它们也真的同样遥远。使用21世纪的技术手段，我们只会被上千年的时光卡死在恒星系统之间。在全球范围内的灾变面前，进行快速星际旅行的仅有希望（极端微弱的希望）就是像电影《星际穿越》中那样的虫洞，或者时空弯曲的其他极端形式。[3]
[1] 地外行星（我们太阳 系之外的行星）正在以极快的速度被发现。每日都在更新，而且基本上很完整的行星列表都可以通过扫描以下二维码获得。
[2] 动能为（1/2）Mv2，其中M 是氦原子的质量，v 是它的速度。它等于能量的释放，0.006 4 Mc2。这里c 是光速（我使用了爱因斯坦的著名公式：从质量转换成能量时， 输出的能量等于质量乘以光速的平方）。联立这两个方程可得：v2=2×0.006 4c2，v 大约为c/10。
[3] 若想了解人类实现星际旅行所需的技术信息，请扫以下二维码。
第四部分 虫洞，超太空 跳跃的桥梁
13 虫洞，危险与希望的并存体
苹果，虫洞之名的灵感源
天体物理学中的虫洞一词是由我的导师约翰·惠勒提出的，灵感来自苹果中的虫洞（见图13-1）。
图13-1 一只蚂蚁正在探索有虫洞的苹果
对于一只在苹果上爬行的蚂蚁来说，苹果的表面是它的整个宇宙。如果苹果中有一个虫洞，那么这只蚂蚁从苹果的顶部到达底部会有两条途径：沿着苹果的表面（也就是蚂蚁的宇宙），或者穿过虫洞。虫洞这条路显然更近，它是蚂蚁从自己宇宙中的一点到达另一点的捷径。
虫洞穿过了苹果那鲜美的果肉，而这果肉的部分不属于蚂蚁的宇宙。对于生活在二维宇宙中的蚂蚁来说，苹果内部是三维的超体或高维超空间。虫洞的壁可以被视为蚂蚁二维宇宙的一部分，因为虫洞的壁和蚂蚁的宇宙拥有同样的维度（二维），并且在虫洞的入口处与这个宇宙（也就是苹果的表皮）是相连的。在另一种观点中，虫洞的壁并不是蚂蚁宇宙的一部分，而只是蚂蚁穿越超体，从宇宙的一点到达另一点的捷径。
福拉姆虫洞，最早的虫洞
1916年，也就是爱因斯坦刚刚把广义相对论的物理定律公式化之后的那一年，维也纳的路德维希·福拉姆（Ludwig Flamm）发现，爱因斯坦广义相对论方程的一个解可以描述虫洞（尽管路德维希那时还不把虫洞称为“虫洞”）。现在我们知道爱因斯坦方程的很多种解都可以描述不同形状和性质的虫洞。但是，路德维希·福拉姆的虫洞解描述的是其中唯一一个严格球对称并且其中不含任何引力物质的虫洞。如果我们截取福拉姆虫洞（Flamm’s Wormhole）的中央切片，那么它和我们的宇宙（膜）都将是二维的而不是三维的。如果从三维超体中观察我们的宇宙和虫洞，那么我们会看到类似图13-2左侧部分的景象。
图13-2 福拉姆虫洞
由于图片中的宇宙比我们的宇宙少一个维度，所以我们就得想象自己也是二维生物，并且只能在图中所示的曲面上或者二维的虫洞壁上行动。那么这时，由A点到B点将有两条路径，较短的路径是沿着虫洞的壁运动，并且穿越虫洞由A点到达B点（图中蓝色虚线）；而较长的路径是沿着弯曲的二维曲面，也就是现在假想的宇宙，绕个大圈最终由A点到B点（红色虚线）。
当然，我们的宇宙实际上是三维的，图13-2左半部分中表现虫洞入口曲率变化的同心圆，在现实宇宙中其实是一系列嵌套在一起的同心球壳（如图13-2右半部分所示）。如果你沿着蓝色虚线从A点进入虫洞，那么你会发现球壳将变得越来越小。然后，尽管这些球壳是内层嵌套的，但它们的尺寸会停止变化。再之后，在你离开虫洞走向B点时，球壳又会变得越来越大。
在福拉姆发表他的研究结论之后的19年里，物理学家们几乎没有注意到他关于虫洞的研究，尽管这一关于爱因斯坦方程的解是如此令人震惊。而后在1935年，爱因斯坦本人和同领域的物理学家内森·罗森（Nathan Rosen）在不知道福拉姆研究结论的情况下重新得到了福拉姆19年前得到的解，研究了福拉姆虫洞的性质，并且探讨了此类虫洞在真实宇宙中存在的意义。其他物理学家当时也没有意识到福拉姆的研究结论，开始把福拉姆虫洞称为“爱因斯坦-罗森桥”（Einstein-Rosen bridge）。
虫洞的塌缩
通常，人们很难仅仅根据爱因斯坦方程的数学形式就理解它的所有理论预言，其中福拉姆虫洞就是一个非常有代表性的例子。在1916—1962年近半个世纪的时间里，物理学家们一直认为虫洞应该是静态的、永恒不变的，但是后来约翰·惠勒和他的学生罗伯特·富勒（Robert Fuller）发现，事实并非如此。他们在数学上进行了更为深入的研究，最后发现，虫洞会诞生、膨胀、连通和死亡，就如图13-3所显示的那样。
由马特·奇梅特基于我的草图绘制，此图来自我所著的《黑洞与时间弯曲》一书
图13-3 福拉姆虫洞（爱因斯坦-罗森桥）的动力学示意图
图13-3的图a表示的是，最初，我们的宇宙有两个相互独立的奇点。随着时间的流逝，两个奇点终于在宇宙的高维超空间里面相互连通，创造出了虫洞（见图b）。然后，虫洞的周长不断膨胀生长（见图c和图d），然后虫洞又开始收缩断开（见图e），最后留下两个独立的奇点（见图f）。诞生、膨胀、收缩和断开的整个过程是在极短的时间内完成的，任何东西都无法在这么短的时间里从虫洞的一端穿越到另一端，即便光也不行。任何尝试在如此短的时间内完成穿越虫洞之旅的人或物，都将在虫洞断开时被毁灭。
这是无法逃脱的命运。如果宇宙曾经不知何故地产生了一个不包含任何引力物质的球形虫洞，那么它将遵循上面描述的步骤走完一生。爱因斯坦的相对论物理定律就是这么预言的。
但是惠勒并没有因为这个结论而灰心；相反，他却很高兴。他认为，奇点（空间和时间无限弯曲的地方）是现有物理定律的“危机”，而危机正是极好的导师。如果我们明智地去寻根究底，那么便可以在极大程度上领悟物理定理。有关这一部分，我会在第25章继续讨论。
《超时空接触》，一个可穿行虫洞的疯狂构想
时间快进大约1/4世纪，也就是1985年5月。
卡尔·萨根给我打电话，让我评论一下他新写成的小说《超时空接触》中关于相对论的描述是否科学准确。我很高兴地答应了，因为我们是很好的朋友，并且我想这本书一定很有意思。另外，我还欠他个人情，因为是他介绍我认识了琳达·奥布斯特。
卡尔把他新书的初稿发给了我，我读了之后非常喜欢。但是在我看来，书中有一个问题。在这部小说里，卡尔把女主角埃莉诺·阿罗维（Eleanor Arroway）博士从太阳系送到了织女星——是通过一个黑洞传送过去的。但是据我所知，人类是不可能通过黑洞从太阳系到达织女星或者宇宙的其他任何地方的，因为在进入黑洞的视界后，埃莉诺·阿罗维博士将被奇点杀死。如果想快速到达织女星，那么我们的女主角需要的是一个虫洞，而不是黑洞。而且，这个虫洞不会断裂，是一个可以穿行的虫洞。
所以我问自己，到底怎么做才能让福拉姆虫洞不断开呢？怎样才能保证福拉姆虫洞保持在打开且连通的状态，以让我们穿行过去呢？通过一个假想的实验，我找到了答案。
假设你有一个像福拉姆虫洞那样的球形虫洞，但是与前者不同的是，它不会断开。然后，你可以沿着虫洞的径向发射一束光。因为这束光的所有光线都是沿着虫洞的径向前进的，所以这束光线在虫洞中的形状应该如图13-4所演示的那样。在进入虫洞的时候，光束会汇聚起来（光束的横截面变小），而当光束从另一端离开虫洞的时候，光束又会发散开来（光束的横截面变大）。虫洞对光线的作用是发散的，类似于一个凹透镜。
由马特·奇梅特基于我的草稿绘制，此图来自我所著的《黑洞与时间弯曲》一书
图13-4 一束沿径向穿越可穿行球状虫洞光束的示意图。左半部分：高维超空间的假象观测，由三维空间投影成二维形式。右半部分：三维宇宙中的真实观测情形
图13-5 太阳或者黑洞对经过其周围的光线的向内弯曲示意图
我们知道，引力体（例如太阳或者黑洞）会将光线向内弯曲（见图13-5），而不能将光线向外弯曲。若想将光线向外弯曲，那么作为透镜的引力体需要具有负质量才行（当然负能量也是可行的，因为爱因斯坦的质能守恒方程告诉我们，质量和能量是等效的）。基于上面这些基本的事实，我得到了以下结论：
任何可穿行的球对称虫洞一定是由某种具备负能量的物质支撑着的。这些物质的能量至少要和光束（或者其他以近光速运动的物体）穿行虫洞时所承受的负能量相当。[1]我把这种具有负能量的物质称为“奇异物质”（exotic matter）。[2]
令人惊异的是，现有的理论表明，奇异物质是可以存在的，当然这要归功于量子物理里面那些奇怪的法则。物理学家们甚至在实验室里制造出了极少量的奇异物质——实验是在距离极近的两个导体板之间实现的。这个效应被称作卡西米尔效应（Casimir effect）。但是那时（1985年）的我还不是非常清楚虫洞是否可以抓住足够多的奇异物质以保持自身的连通，所以我还做了其他两件事。
第一，我写信给卡尔，建议他把书中“通过黑洞把埃莉诺·阿罗维博士送到织女星”中“通过黑洞”的部分改成“通过虫洞”。信中我还附上了一份描述虫洞的相关计算。这份计算显示，可穿行虫洞内必须填入“奇异物质”。卡尔接纳了我的建议（并且把我有关虫洞的方程加在了他小说的致谢里面）。从此，虫洞正式出现在现代科幻领域，比如小说、电影和电视剧等。
第二，我与我的两名学生马克·莫里斯（Mark Morris）和乌尔维·尤尔特塞韦尔（Ulvi Yurtsever）一起发表了两篇关于“可穿行虫洞”的科技文章。在这两篇文章中，我们向物理界同行们提出了一个问题：通过结合量子定律和广义相对论物理定律，一个高度发达的文明是否可以在虫洞中放入足够多的奇异物质来使之保持连通？这促使大量的物理学家们进行了大量的研究工作，但是直到今天为止——大约30年过去了，这个问题依然没有答案。绝大部分研究结果给出了否定的答案，“可穿行虫洞”也许不可能存在。我们离最终的答案还有很长的路要走。相关细节请阅读我的物理学同事艾伦·埃弗里特（Allen Everett）和托马斯·罗曼（Thomas Roman）合著的Time Travel and Warp Drives一书。
可穿行虫洞应该是什么样子？
对于类似人类这样生活在宇宙中的生物而言，一个可穿行的虫洞看起来会是什么样子呢？我不能给出确切的答案。如果一个虫洞能够维持开放状态，如何实现的细节依旧是一个谜，所以虫洞形状的具体细节也是未知的。相比之下，罗伊·克尔已经给出了关于黑洞的精确描述，这样我才能够在第7章给出比较确定的预言。
所以关于虫洞的性质，我只能给出一些基于现有理论的猜想，我对这些猜想还是相当有信心的，因此把这一小节标注成。
想象现在地球上有一个虫洞，这个虫洞穿越超体连接了爱尔兰都柏林的格拉夫顿大街与南加州的沙漠。两者在虫洞间的距离也许只有数米那么远（见图13-6）。
在加州沙漠的虫洞入口 在都柏林的虫洞入口
左图由凯瑟琳·麦克布赖德（Catherine MacBride）拍摄，右图由马克·英特兰特（Mark Interrante）拍摄
图13-6 通过虫洞的两个入口分别看到的像
我们把虫洞的两端称为“口”。假设你正坐在都柏林街边的咖啡馆里（虫洞的A口处），这时我站在南加州沙漠里（B口处）。这两个入口应该看起来像两个水晶球。当我从B口看过去时，我会看到一个扭曲的都柏林格拉夫顿大街。这个扭曲的像是从都柏林的A口处进入虫洞的光所呈现出来的，这个现象特别像光线通过光纤后所成的像。同理，当你从都柏林的A口看过去时，你会看到南加州沙漠中约书亚树（仙人掌树）被虫洞扭曲的像。
虫洞是否可以像天体一样在宇宙中自然存在？
在电影《星际穿越》中，库珀说：“虫洞不是一个可以自然发生的物理现象。”我完全同意他的观点！即便物理定律允许可穿行虫洞的存在，但在真实的宇宙中也是非常不可能的。我必须承认，这里所描述的可穿行虫洞的存在性与相关性更多的是猜想，连基于现有科学理论的推测都算不上。也许算是有一点儿科学根据的猜想，但是猜想终归是猜想，所以我把这一小节标记成。
为什么我对虫洞的自然产生如此悲观呢？因为我们没有看到宇宙中的任何天体在它们“变老”的时候变成虫洞。相反地，天文学家们看到了许多大质量恒星在耗尽核燃料时塌缩成了黑洞。
另一方面，人们有理由期望虫洞以“量子泡沫”[3]的形式自然地存在于亚微观尺度上（如图13-7所示），这个量子泡沫是一个假想的虫洞网络，泡沫会持续不断地在出现和消失之间波动，而这种波动的方式被我们目前还不是非常清楚的量子引力理论所控制（见第25章）。在任何一个给定的时间内，泡沫是随机的，这就意味着这个泡沫会在一定的概率下呈现出一种形式，同时也会在一定的概率下呈现出另一种形式，而且这些概率是连续变化的。另外，这个量子泡沫非常非常小，泡沫中虫洞的典型长度是所谓的普朗克长度，即0.000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 001厘米；也就是原子核直径的万亿亿分之一。实在是太小了！
由马特·奇梅特基于我的草稿绘制，此图来自我所著的《黑洞与时间弯曲》一书
图13-7 量子泡沫
回到20世纪50年代，约翰·惠勒就已经给出了关于量子泡沫的有力论证，但是现有的证据表明，在量子引力的理论框架下，很多机制会降低量子泡沫的波动幅度，甚至抑制量子泡沫的产生。
如果量子泡沫确实存在，那么我希望有一个自然过程能够让虫洞从普朗克长度长到人体的尺度，或者更大。这或者就发生在宇宙的极早期，在宇宙极快速“暴涨”膨胀的时候。但是物理学家们并没有看到任何证据可以表明这种自然增大能够或已经发生。
另一种产生自然虫洞的机制就是宇宙的大爆炸创世，但这个可能性极小。我们可以设想可穿行虫洞在宇宙大爆炸时期本来已经产生，但是这个设想是非常不可能的。之所以说设想，是因为我们对宇宙大爆炸并不了解。之所以说不大可能，是因为在我们所知道的大爆炸中没有一样能够提供形成可穿行虫洞的线索。
超级发达文明，可穿行虫洞的唯一希望？
我认为，一个超级发达的文明是创造出稳定的可穿行虫洞的唯一希望，但是这要面对太多的困难，所以我依然持悲观态度。
在一个没有可穿行虫洞的空间中制造可穿行虫洞的可行途径是：把它从量子泡沫（如果量子泡沫存在的话）中提取出来，放大到人类尺寸，甚至更大，然后向虫洞中添加奇异物质以保持这个虫洞的连通。这些步骤，甚至对于超级发达的文明来说，都是一项艰难的任务。当然，这也许仅仅是因为我们不理解如何运用量子引力理论来控制量子泡沫，并提取当中的虫洞，也不知道早期的放大过程（详见第25章）。当然，我们目前对奇异物质的性质也不很了解。
乍看上去，制造一个虫洞好像很简单（见图13-8）。只要把我们的宇宙膜（我们的宇宙）向着超体的方向推出去，创造出一个小锥体（见图a），然后把我们的宇宙绕着超体折叠起来（见图b），接着在锥体正下方折叠起来的平直空间上开一个小洞，再在锥体的尖端开一个小洞，最后只要再把这两个小洞缝起来（见图c），一个虫洞就诞生了。哈，就是这样！
由马特·奇梅特基于我的草稿绘制，此图来自我所著的《黑洞与时间弯曲》一书
图13-8 如何制造一个虫洞
在电影《星际穿越》中，罗米利（Romilly）用一张纸和一支笔演示了我刚才陈述的创造虫洞的方法（见图13-9）。从旁观者的角度来看，这个过程非常简单，就是玩玩纸和笔，但是如果这张纸就是我们的宇宙膜，创造者是生活在我们宇宙膜上的文明，所有操作只能在我们的宇宙膜内完成，那么这个过程将无比艰难。实际上，除了第一步——在空间中向高维度的方向推出一个锥体（我们只需要一个非常致密的天体，例如中子星），我根本不知道其他步骤如何实现。如果想接着在我们的宇宙中打孔的话，唯一的途径就是借助量子引力理论。爱因斯坦的广义相对论是禁止我们在宇宙中打孔的，所以如果想在宇宙中打孔，唯一的方法就是寻找广义相对论失效但量子引力统治的区域。对于我们来说，这一认知几乎为零（见图2-2）。
电影《星际穿越》剧照，由华纳兄弟娱乐公司授权使用
图13-9 在电影《星际穿越》中，罗米利在解释什么是虫洞。左图：他弯曲一张纸来演示弯曲的空间。右图：他用一支铅笔在纸上穿孔来演示虫洞的制造过程，即在两个空间打孔，然后再把它们连接起来
一个极度未知的领域
就我个人而言，我对可穿行虫洞存在的物理合法性是持怀疑态度的，当然这也许完全源于偏见——我可能是错的。就算可穿行虫洞存在，我依然对它们可以在宇宙中自然产生的观点持怀疑态度。我认为制造可穿行虫洞最有可能的途径是人造——由某个极度发达的文明制造，但是我们对一个高度发达的文明如何制造出一个可穿行虫洞却一无所知。而且，它的难度显然足以吓退至少我们这张宇宙膜（我们这个宇宙）中最先进的文明。
然而，在电影《星际穿越》中，我们做了如下假设：虫洞是由生活在超空间中的四维文明创造的，他们不仅创造了虫洞，还维持着虫洞的连通，并把它放在了木星附近。这个文明拥有四个空间维度，与超体一样。
这一章描绘的是一个极度未知的领域。尽管如此，我依然会在第21章讨论一下高维生物。在接下来的几章里，我会与大家聊一聊电影《星际穿越》中的虫洞。
虫洞是一个洞，还是一个球？扫码关注“未来创客”，回复“星际穿越”，即可观看国家天文台重磅译者团队为您特别录制的讲解视频，带你走近虫洞，进行一场虫洞穿行之旅。
[1] 在相对论物理定律 里，能量的概念比较奇怪—— 一个人所测量到的能量取决于他的运动速度和方向。
[2] 后来我才知道， 其 实根据爱因斯坦的广义相对论， 任何虫洞， 无论球对称与否， 如果想要保持可穿行的性质，其内部必须填充奇异物质。这个结论是加州大学戴维斯分校的丹尼斯· 甘农（Dennis Gannon）教授在1975 年证明的一个理论的推论。由于我的一些疏忽，当时我并不知道甘农教授的这一理论。
[3] 量子泡沫（quantumfoam）：也称时空泡沫，在量子泡沫的普朗克长度（10-35 米）里，时空不再是平滑的， 许多不同的形状会像泡沫一样随机浮出， 又随机消失， 这样在微小世界的能量起伏， 就是所谓的“ 量子涨 落”。在量子涨落中形成的小通道，就是所谓的虫洞，而这些量子虫洞则又可以连接到周遭众多的起伏泡沫，那些量子泡沫就是幼宇宙。——译者注
14 《星际穿越》中虫洞的可视化
在电影《星际穿越》中，虫洞被认为是由极度发达的文明制造出来的，这个文明很有可能生活在超体中。在这个大前提下，奥利弗·詹姆斯和我开始着手从最底层构建一个可视化的虫洞——在这里，我们假装自己就是这个高度发达文明的工程师。
首先，我们假设物理定律是允许虫洞在宇宙中存在的；其次，假设虫洞的制造者们有足够的奇异物质来维持虫洞的连通；最后，假设这些虫洞的创造者们具有弯曲时间和空间的能力，并且无论是在虫洞内部还是在虫洞附近，都能实现我们对时空弯曲的任何要求。
这些都是非常极端的假设，所以我把这一章标记为猜想。
虫洞的引力和时间弯曲
克里斯托弗·诺兰希望虫洞具有一个适度的的吸引力：一方面，这一引力要足够强，从而可以维持“永恒”号围绕虫洞飞行；另一方面，这一引力又要足够弱，以保证“永恒”号被一般的火箭推进器减速后，能稳定、慢速地进入虫洞。这就意味着，虫洞的引力要比地球弱很多。
爱因斯坦的时间弯曲理论告诉我们，在虫洞内部，时间变慢的程度正比于虫洞引力的强度。因为我们要制造的虫洞的引力场弱于地球引力场，所以虫洞中时间的变慢程度一定比地球上小，但是这个差别十分细微，地球上的时间只比虫洞附近的时间慢了十亿分之一（经过10亿秒，也就是30年，地球时间会比虫洞附近的时间变慢1秒钟）。因为这个差异如此之小，所以奥利弗和我在设计虫洞的时候决定将其忽略。
3大“把手”，虫洞形态各异的根源
虫洞形状的最终决定权属于克里斯托弗·诺兰和保罗·富兰克林，而我的任务是为奥利弗和他双重否定团队的同事们提供“把手”（专业术语为“参数”），这样他们就可以通过控制这些“把手”（调整这些参数）来控制虫洞的形状。他们根据不同的参数作出了一系列不同样式的虫洞，然后让克里斯托弗·诺兰和保罗·富兰克林选择了一个最引人注目的。我一共给出了3个参数来控制虫洞的形状（见
图14-1）。
第一个参数是虫洞的半径，是创造这个虫洞的高级文明的工程师从超体里测量得到的（类似于卡冈都亚的半径）。如果我们把这个半径乘以2π（6.28318...），就可以得到虫洞的周长，这个也是库珀在驾驶“永恒”号穿过或者盘旋在虫洞附近时所测量到的虫洞的周长。克里斯在我开始构建虫洞的工作之前就定下了虫洞的半径。他要求，即使利用美国宇航局所拥有的最大的望远镜也几乎无法在地球上观测到虫洞对恒星的引力透镜效应。这点限制了虫洞的半径，它大约为1 000米。
第二个参数是虫洞的长度，库珀和超体中的某位工程师会得到完全相同的测量结果。
第三个参数决定了来自虫洞背后的光被虫洞的引力透镜效应影响的强度。虫洞的引力透镜现象的细节是由虫洞口处附近空间的形状决定的。为此，我选择了一个类似于无自旋黑洞视界以外空间的形状。这种选择只有一个可调参数，即产生强引力透镜的区域宽度。我把这个参数称为透镜宽度，如图14-1所示。[1]
图14-1 在超体中看到的虫洞，以及我用来调整虫洞形状的3个参数（左侧的小图是主图的远景图，是假想观测者在超体中从比较远的地方观测到的虫洞，所以我们可以看到虫洞的外部结构）
“把手”如何影响虫洞的外观？
就像对黑洞卡冈都亚所做的那样（见第7章），我根据爱因斯坦的广义相对论推导出了经过虫洞周围或者穿过虫洞的光线的轨迹方程，并且制定了求解方程的步骤，以此来计算虫洞的引力透镜效应，以及在环绕虫洞和穿越虫洞时摄像机所观测到的景象。在确认方程和求解步骤能够得到我所期望的结果后，我把它们发给了奥利弗，然后奥利弗根据我的结果编写了一套程序，再根据电影的标准在计算机上生成了高品质的IMAX级别的图像。而尤金妮娅·冯·腾泽尔曼则添加了恒星场和宇宙中其他天体作为虫洞引力透镜系统的源图像，然后她和奥利弗、保罗研究了这3个“把手”的变化会对引力透镜像产生的影响。此外，我也独立做了一些探索。
尤金妮娅热心地提供了本书的图14-2和图14-4，这些图展示了我们透过虫洞看土星时的图像。（她的图片的分辨率要比我自己那套粗糙程序的结果远远高得多。）
虫洞长短，穿越景象各异的决定者
我们首先研究了在中等透镜宽度（或者比较小的透镜宽度）下，虫洞长度对虫洞引力透镜像的影响，见图14-2。
当虫洞比较短的时候（见图14-2的上图），镜头透过虫洞看到的是一个扭曲的土星的像，我们称之为主像，这个像位于虫洞中那个像水晶球一样的入口处的右侧。此外，还有一个非常细的圆孤状的次像，位于水晶球的左侧边缘。（位于水晶球右下方的非常细的圆弧状结构并不是土星的像，而是外围宇宙的扭曲像。）
由于虫洞被拉长（见图14-2的中图），主像开始缩小并向水晶球内部移动，此时次像也会向水晶球内部移动，并且在水晶球的右侧边缘产生第三个非常细的圆孤状的像。
如果我们进一步将虫洞拉长（见图14-2的下图），主像将进一步缩小，所有像都将向中心移动，其中第四个像和第五个像将分别在水晶球的左侧和右侧依次出现，以此类推。
在图14-3中，我在虫洞上画了几条描述光线路径的线，这些线可以帮助我们理解虫洞引力透镜系统的上述行为（这一虫洞的示意图依然来自超体的假想观测）。
来自尤金妮娅·冯·腾泽尔曼的团队，他们通过奥利弗·詹姆斯基于我的方程开发的程序得到此图
图14-2 左侧：拥有较小透镜宽度（这里的透镜宽度只是虫洞半径的5%）的虫洞，从超体中所观测到的形状示意图。右侧：对应左侧各种形状的虫洞，镜头所拍摄到的像。由上至下：依次变大的虫洞长度参数分别为虫洞半径的0.01倍、1倍和10倍
图14-3 光线从土星出发，穿过虫洞到达镜头的不同途径的示意图
黑色光线1表示的是形成主像的光束所经过的路径，这一路径是从木星穿过虫洞到达镜头的最短距离。红色光线2代表组成次级像的光束所经过的路径，这些光线从黑色路径的反方向（逆时针）绕着虫洞壁到达镜头，红色光线是从土星出发沿逆时针方向到达镜头的最短距离。绿色光线3代表形成第三个像的光束，这些光线所走过的路径是沿顺时针方向绕行虫洞壁一圈后从土星到达镜头的最短距离。棕色光线4代表形成第四个像的光束，这是光线沿逆时针方向绕行虫洞壁一周后到达镜头的最短距离。
那么读者们，你们能回答第五个像甚至第六个像是如何产生的吗？为什么当虫洞被拉长的时候像会变小？为什么新产生的像会从酷似水晶球的虫洞入口处的边缘出现，又再向中心移动？
虫洞的透镜宽度，引力透镜效应大不同
在已经理解了虫洞的长度如何影响摄像机捕捉到的图像之后，接下来我们将虫洞长度固定在一个相当短的尺度上——与虫洞半径一样长，然后只改变虫洞的透镜宽度。我们让虫洞的透镜宽度从接近于零变化到虫洞直径的一半，然后分别计算不同情况下镜头所捕捉到的图像。图14-4呈现了上述变化中的两个极端情况。
当虫洞的透镜宽度很小时，虫洞的形状会如图14-4左上方子图的样子，外部宇宙（水平面）到虫洞喉部（垂直柱体）的过渡很迅速。就像镜头所观测到的一样（见图14-4右上方子图），即使在虫洞边缘，虫洞对背景恒星场和图中左上方暗云的扭曲效果也不是很明显。它就像一个具有很弱引力场的不透光物体挡在背景恒星场的前面一样，比如一颗行星或者一艘宇宙飞船。
来自尤金妮娅·冯·腾泽尔曼的团队，他们依据詹奥利弗·詹姆斯基于我的方程开发的程序得到此图
图14-4 不同透镜宽度下的虫洞对恒星场和土星的引力透镜效应对比图：上图中虫洞的透镜宽度是虫洞半径的0.014倍，下图中虫洞的透镜宽度是虫洞半径的0.43倍
图14-4左下方子图显示的是一个透镜宽度大约等于一半虫洞半径长度的虫洞的示意图，在这种情况下，外部宇宙（渐进水平面）到虫洞喉部（垂直柱体）的过渡比较平缓。
也就是说，当虫洞的透镜宽度比较大时，虫洞对背景恒星场和暗云的透镜扭曲效果非常明显（见图14-4的右下部），并且能够产生多重像，这和无自旋黑洞对背景天体的扭曲效果几乎一样（见图7-3和图7-4）。随着虫洞透镜宽度的增大，木星的次级像和三级像也随之增大。图14-4下半部分图中的虫洞看起来要比上半部分的虫洞大些（在镜头里），较大透镜宽度的虫洞与较小透镜宽度的虫洞相比具有更大的张角。这并不是因为镜头离虫洞口更近。其实，在这两种情况下，镜头和虫洞口的距离是一样的，结果不同完全是由于虫洞的引力透镜效应所致。
《星际穿越》中动人心魄的虫洞
克里斯在看到我们给他展示的具有不同虫洞长度、不同透镜宽度的一些数值模拟的结果后，毫不犹豫地选择了中等透镜宽度、长度极短的虫洞。因为对于中等长度和比较长的虫洞来说，它们会在虫洞的入口处产生多重像，这种现象很容易使普通观众感到迷惑，所以他把《星际穿越》中的虫洞设计得非常短：只有虫洞半径的1%。虫洞的透镜宽度也被他设定成中等大小：大约是虫洞半径的5%，这样虫洞周围的透镜效果会变得可见起来，并且看起来很酷，但是这个透镜效果要比卡冈都亚的弱很多。
最终，克里斯选择了图14-2中最上方子图展示的虫洞模型。双重否定公司的视觉特效团队在虫洞的另一端还加上了一个美丽的星系，这个星系里有着漂亮的星云、尘埃带和恒星场（见图14-5），看上去如此动人心魄。于我而言，这一场景是电影中最壮丽的场景之一。
电影《星际穿越》剧照，由华纳兄弟娱乐公司授权使用
图14-5 《星际穿越》预告片中所展示的虫洞。“永恒”号在虫洞的前方，靠近中心处。在虫洞的外围，我用粉色的线画出了爱因斯坦环，类似于图7-4中针对无自旋黑洞的爱因斯坦环。这里被引力透镜作用后的恒星的主像和次级像的运动轨迹与图7-4中黑洞的情况也非常类似。如果观看《星际穿越》的预告片，你是否可以分辨出这些像，并且跟踪它们的运动轨迹呢？
穿越虫洞之旅
2014年4月10号，我接到了一个紧急电话。克里斯在可视化“永恒”号的虫洞穿越之旅时遇到了一些困难，他说他需要我的建议。我开车去到了他的辛克匹电影公司的工作室，在那里，电影的后期制作正在进行，然后克里斯给我展示了他所遇到的问题。
通过我给他们的方程，保罗的团队已经制作出了虫洞穿越的演示视频，并且不同视频还对应着不同的虫洞类型，即不同的虫洞长度和透镜宽度。但是对于电影中采用的中等透镜宽度的短虫洞来说，穿越过程很短，而且没有什么新奇的视觉效果。如果是一个较长的虫洞，穿越过程就像飞船穿过一条长长的隧道一样，隧道的墙壁在飞船周围一晃而过，与我们在以前电影中看过的场景太相似了。克里斯随后又演示了很多添加了各种装饰的虫洞之旅的变体，我不得不承认，没有一个能够达到他的要求：他要求穿越过程有让人过目难忘的新鲜感。经过彻夜不眠的冥思苦想，我依然没有想出任何石破天惊的妙招。
第二天，克里斯飞往伦敦，与保罗的双重否定团队会谈，以寻求这个问题的解决方案。最后他们只能被迫放弃我的虫洞方程，然后去“寻找一个以更加抽象的方式演绎虫洞的内部之旅”（这是保罗的原话），这个新的阐述方式虽然仍包含了已有虫洞数值模拟结果的主要特征，但是为了艺术上的新鲜感又做了重大的改动。
