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探索星空是人类永恒的梦想。在晴朗的夜晚，无论何时我们抬头，都会看到满天的星星。自古以来，星空以其无与伦比的浩瀚、深邃、美丽和神秘，引发了人类无数的遐想。美国著名科幻电视剧《星际迷航》有这样一段简短却意味深长的题字:星空，最后的边疆。第一次看这个电视剧的时候，我就被这个用磁性声音念出来的题词迷住了。

在古代，人类用肉眼探索星空，后来开始使用望远镜，但迈向星空的第一步是在1957年。那一年，人类发射的第一艘飞船终于飞出了我们这颗蓝色星球的大气层。十二年后，人类在月球上留下了足迹。三年后，人类向外太阳系发射了先驱者10号深空探测器。1983年，先驱者10号飞出海王星轨道，成为人类发射的第一艘飞出太阳系的航天器。

从第一艘宇宙飞船发射至今，短短二十多年，齐奥尔科夫斯基“人类将首先小心翼翼地穿越大气层，然后征服太阳周围的整个空间”的预言成为现实，人类探索星空的步伐并不快。但是，与一望无际的星空相比，这一步还是太慢了。率先飞出太阳系的先驱者10号，现在正在寒冷寂静的太空中滑翔。满天的星星中，还要多少年才能飞到下一颗星星？答案是两百万年！届时，它将飞往距离我们68光年的金牛座。68光年的距离相对于地球上的任何尺度都是极其巨大的，但相对于3万光年外的银河系中心、220万光年外的仙女座星云、6000万光年外的室女座星系团以及其他遥远的天体来说，无疑是微不足道的。人类的好奇心是没有边界的，但即使人类飞船的速度快了许多倍，甚至接近物理速度的上限——光速，以星际空间的距离来衡量，仍然是极其缓慢的。

那么，有什么办法可以让飞船以某种方式变相突破速度上限，让它在极短的时间内穿越那些几乎无限的距离呢？科幻作家率先展开了想象的翅膀。1985年，康奈尔大学著名行星天文学家卡尔·萨根写了一本科幻小说，名叫《接触》。萨根对探索地球以外的智慧生命有着浓厚的兴趣。他作为科幻作家的一次客串是为SETI项目筹集资金，寻找地球以外的智慧生命。他的小说后来被拍成电影，为他赢得了广泛的知名度。

萨根在他的小说中讲述了一个感人的故事:一位名叫埃莉的女科学家收到了来自其他星球的智慧生物发出的一系列无线电信号。经过研究，她发现这一系列信号包含了一种构建特殊设备的方法，这种设备可以让人类与信号的发送者见面。经过努力，艾莉和她的同事们成功建造了这台设备，并通过这台设备穿越了遥远的星际空间，与其他星球上的智慧生物进行了第一次接触。

然而，艾莉和她的同事们是通过什么方式，利用根据其他星球的智慧生物提供的方法建造的设备，让旅行者穿越遥远的星际空间的呢？这就是萨根需要大胆“幻想”的地方。他最初的想法是利用黑洞。但萨根毕竟不是一个普通的科幻作家，他的科学背景让他希望自己的科幻小说尽可能不与已知的物理定律相矛盾。于是他打电话给他的老朋友，加州理工学院的基普·s·索恩教授。索恩是引力理论方面的专家，萨根请他对自己的想法做一个技术评估。经过思考和粗略计算，索恩很快告诉萨根，黑洞不能作为星际旅行的工具。他建议萨根使用虫洞的概念。据我所知，这是虫洞这个术语第一次进入科幻小说。之后，各种科幻小说、电影、电视剧纷纷采用这个术语，虫洞也逐渐成为科幻故事中的标准术语。这是科幻作家和物理学家之间一点点交流的成果。

萨根和索恩的交流不仅给科幻小说带来了一个全新的名词，也为物理学开辟了一个新的研究领域。在物理学中，虫洞的概念最早是由C.W. Miesner和J. A. Wheeler在1957年提出的，恰好是人类发射第一艘航天器的同一年。那么虫洞到底是什么？为什么会被科幻作家当成星际旅行的工具？我们用一个简单的例子来说明:众所周知，在苹果表面从一点到另一点需要走一段弧线，但是如果飞蛾在这两点之间吃了一个虫洞，它就可以通过虫洞在这两点之间走一条直线，明显比原来的弧线更近。将这种类比从二维的苹果表面延伸到三维的物理空间，就是物理学家所说的虫洞，虫洞可以在两点之间形成捷径的特性，就是科幻作家喜欢虫洞的原因。只要有合适的虫洞，无论多远，都有可能变得近在咫尺，星际旅行者将不再受制于太空的遥远。在一些科幻故事中，高度发达的文明世界利用虫洞进行星际旅行，就像我们今天利用高速公路在城镇之间旅行一样。在著名的美国科幻电影电视剧《星际之门》中，外星文明留在地球上的一个叫做星际之门的装置，可以和其他许多遥远星球上的星际之门连接起来，几乎可以瞬间把人和设备送到那些遥远的星球上。虫洞已经成为科幻小说中星际旅行者的天堂。

然而，Miesner和Wheeler提出的虫洞极其微小，会在极短的时间内消失，因此它不能成为星际旅行的通道。萨根的小说出版后，索恩对虫洞产生了兴趣，他和他的学生迈克·莫里斯开始对虫洞进行深入研究。与米斯纳和惠勒不同，索恩对可以用作星际旅行通道的虫洞感兴趣，这种虫洞被称为可穿越虫洞。那么什么样的虫洞可以是可穿越的虫洞呢？首要条件之一是，它必须长期存在，不能在没有等待星际旅行者穿越的情况下消失。所以能穿越的虫洞首先要足够稳定。虫洞怎么可能稳定存在？经过研究，索恩和莫里斯发现了一个不好的结果，那就是虫洞里一定有某种带负能量的奇怪物质！为什么会有这样的结论？那是因为物质进入虫洞时向内收敛，离开虫洞时却向外飞。这个从汇聚到散射的过程，意味着虫洞深处存在某种排斥。因为普通物质的引力只能产生会聚，只有负能量物质才能产生这种排斥。所以，为了让虫洞成为星际旅行的通道，必须有负能量物质。索恩和莫里斯的这个结果是人们研究可穿越虫洞的起点。

为什么索恩和莫里斯的结果不太好？因为人们从未在宏观世界中观察到任何具有负能量的物质。事实上，在物理学中，人们通常将真空的能量设置为零。所谓真空意味着什么都没有，负能量意味着比什么都没有的真空“更少”的物质，这在经典物理学中几乎是矛盾的。

但是很多经典物理学做不到的事情，随着二十世纪初量子理论的发展成为可能。好在负能量的存在就是一个例子。在量子论中，真空不再是虚无，它有着极其复杂的结构，每时每刻都有大量虚粒子对产生和湮灭。1948年，荷兰物理学家亨德里克·卡西米尔(Hendrik Casimir)研究了真空中两个平行导体板之间的这种虚粒子态，发现它们的能量比普通真空要小，这说明这两个平行导体板之间存在负的能量密度！在此基础上，他发现这样一对平行导体板之间存在微弱的相互作用。他的发现被称为克什米尔效应。近半个世纪后的1997年，物理学家实验证实了这种弱相互作用，间接为负能量的存在提供了证据。除了克什米尔效应，上世纪七八十年代以来，物理学家在其他研究领域也发现了负能量的存在。

所以各种令人振奋的研究都表明，宇宙中似乎存在负能量物质。可惜目前已知的这些负能量物质都是量子效应产生的，所以数量极少。以克什米尔效应为例。如果平行板之间的距离是一米，那么它产生的负能量的密度相当于每十亿立方米中只有一个基本粒子(负质量)！而且间距越大，负能量密度越小。其他量子效应产生的负能量密度也差不多。所以在任何宏观尺度上，量子效应产生的负能量都是可以忽略不计的。

另一方面，物理学家也对维持一个虫洞所需的负能量物质数量进行了估算，发现虫洞半径越大，所需的负能量物质越多。具体来说，为了维持一个半径一公里的虫洞，需要的负能量物质的量相当于整个太阳系的质量。

如果说负能量物质的存在为虫洞星际旅行带来了一丝希望，那么这些更具体的研究成果却给这种希望泼了一盆冷水。因为一方面，目前已知的负能量物质的所有效应都是量子效应，产生的负能量物质即使以微观尺度来衡量也是极其微小的。另一方面，宏观意义上维持任何虫洞所需的负能量物质都是天文数字！两者之间的巨大差距无疑给建造虫洞的前景蒙上了一层沉重的阴影。虽然数字看起来令人沮丧，但不要忘记，当我们谈论虫洞时，我们正在谈论一个科幻主题。既然说的是科幻，那就乐观一点吧。就算我们自己没有能力建造虫洞，宇宙中也可能有其他文明生物有能力建造虫洞，就像星际之门的故事一样。就算没人能造出虫洞，浩瀚宇宙的某个角落也可能存在天然虫洞。所以我们假设在未来的某一天，人类真的建造或者发现了一个半径一公里的虫洞。

我们能用它进行星际旅行吗？

乍一看，一个半径一公里的虫洞似乎足以满足星际旅行的要求，因为这样的半径足以让相当规模的星际飞船通过。看过科幻电影的人，可能对星际飞船穿越虫洞的特殊处理印象深刻。从屏幕上看，飞船周围是由星光和来自遥远天空的辐射组成的无限美丽的视错觉。好像飞船正在穿越一条狭窄的时空通道。

但现实远比这种幻想复杂。事实上，为了让飞船和乘员安全通过虫洞，几何半径的大小并不是星际旅行者面临的主要问题。根据广义相对论，物质在通过虫洞等高度弯曲的区域时会遇到一个非常棘手的问题，那就是张力。这是由于引力场在空间各部分的分布不均匀造成的，其常见的表现形式就是海洋中的潮汐。由于这种张力，当星际飞船接近虫洞时，飞船上的乘员会逐渐感觉到自己的身体在沿着虫洞的方向被拉伸，而在垂直于虫洞的方向被挤压。这种感觉是虫洞不均匀的引力场造成的。起初，这种紧张感只会让人稍感不适，但随着飞船接近虫洞，这种紧张感会迅速增加，每缩小十分之一的距离，这种紧张感就会增加1000倍左右。当飞船距离虫洞1000公里时，这种张力已经超过了人体所能承受的极限。如果飞船到这个时候还不迅速返航，所有的船员都会死在致命的张力下。再飞远一点，飞船本身就会在可怕的张力下解体，最终，张力的疯狂增加会把飞船和它的船员撕成一长串亚原子粒子。从虫洞的另一端飞出的，就是这一长串早就分不清来源的亚原子粒子！

这就是星际探险者试图穿越半径一公里的虫洞会发生的事情。半径一公里的虫洞不是旅行者的天堂，而是探险者的地狱。

因此，虫洞要成为可穿越的虫洞，一个显而易见的进一步要求是，飞船及其乘员在穿越虫洞时受到的张力必须非常小。计算表明，只有虫洞半径极大时，才能满足这一要求。那么虫洞要有多大才能作为星际旅行的通道呢？计算表明，一个半径不到一光年的虫洞对飞船及其乘员产生的张力足以摧毁物质的原子结构，这超出了任何固体飞船的承受能力，更不用说脆弱的飞船乘员了。因此，为了让虫洞成为可穿越的虫洞，它的半径必须远大于一光年。

一光年是什么概念？相当于整个太阳系半径的1500多倍(以冥王星轨道为界)。如果以地球的线性度来衡量，大约是地球直径的7亿倍。所以科幻电影《星际之门》绝对不可能把虫洞的出入口建在地球和其他星球上，因为入口如此狭窄的虫洞不仅能让人安全通过，还能在瞬间把周围的一切撕成亚原子粒子。在萨根的故事中，有人反对艾莉和她的同事将其他星球的智慧生物提供的蓝图付诸实践，因为他们担心这可能是一个用来毁灭地球的装置。他们的担心其实很有道理。另一方面，虽然一光年以日常距离衡量是一个巨大的线性，但以星际距离衡量并不惊人。我们银河系的线性度大约是它的10万倍。如果银河系和220万光年外的仙女座星云之间存在虫洞，那么从线性度来说，它只是一个非常小的通道。那么我们周围的星际空间真的会有这样的通道，只是我们还没有发现而已吗？答案是否定的，因为一个半径为一光年的虫洞真正神奇的不是它的线性度，而是维持它所需的负能量物质的数量。计算表明，维持这样一个虫洞所需的负能量物质的量，相当于整个星系所有发光恒星总质量的100倍！这种虫洞产生的引力效应将远远大于整个星系。如果我们附近的星际空间中存在这样的虫洞，那么数百万光年周围的物质运动将受到显著影响，我们已经在其引力场中发现了它们的踪迹。

因此，不仅不可能在地球上建立可穿越的虫洞，而且在我们附近的整个星际空间中也几乎不可能有可穿越的虫洞而不被发现。

这样我们只有一种可能性可以讨论，那就是宇宙的其他遥远角落有没有可能存在虫洞？我们可能永远也不会知道这个问题的确切结果，因为宇宙太大了。但维持可观测虫洞所需的负能量物质数量几乎是不可能的，这几乎为我们提供了答案。迄今为止，人类从未在任何宏观尺度上发现负能量物质，所有产生负能量物质的实验方法都是利用弱量子效应。为了维持一个虫洞，必须有某种机制来收集量子效应产生的微弱负能量物质，并达到足够的数量。但是负能量物质能聚集在一起吗？近年来，物理学家在这方面做了一些理论研究，结果表明量子效应产生的负能量物质是不可能无限收敛的。负能量物质聚集的越多，它能存在的时间就越短。所以一个虫洞没有负能量物质是不稳定的，负能量物质太多也会不稳定！那么什么样的虫洞才能稳定呢？初步计算表明，只有线性度比原子小二十个数量级的虫洞才是稳定的！

这一系列结果无疑很冷。如果这些结果成立，穿越虫洞的可能性就基本被排除了，那些美好的科幻故事都将成为海市蜃楼。然而，幸运(或不幸)的是，上述许多结果都是基于相对先进的——因此也是相对不成熟的——物理理论。未来的研究是否会从根本上动摇这些理论，彻底推翻我们上面介绍的很多结果，还是未知数。退一步说，即使那些物理理论基本成立，上面描述的很多结果也只是那些理论推导出来的近似结果或者特例。例如，许多结果假设虫洞是球对称的，但实际上虫洞可以是其他形状。不同形状的虫洞所需要的负能量物质的数量和产生的张力的大小是不同的。这些都说明，即使那些物理理论真的成立，我们上面说的结论也不一定是完全打开它的方式是利用物质间相互吸引的原理，吸引两个时空中虫洞的正负能量来打开它。