霍金亮出底牌

“你们这些凡人根本不懂时间的本质。它不一定是线性的啊，皮卡德！”

——在《曲终人散》[13]中，Q对皮卡德如是说

“瓦肯星”（Vulcan），即斯波克的母星，在20世纪的物理学中有过一段庄严的历史。20世纪初期，天体物理学界出现了一件令人困惑不解的怪事：人们发现水星的近日点——即水星在绕着太阳运行时，距离太阳最近的那一点——每过一个水星年就会绕着太阳向前移动一段让人难以察觉的距离，而这种现象并不符合牛顿提出的万有引力定律。有人解释说，这是因为在水星轨道内可能存在着一颗尚未被发现的行星，正是这颗行星造成了上述中的问题。（其实在很早以前，就有人用类似的理论解决了天王星轨道异常的问题，并因此发现了海王星的存在。）后来，这颗假想的行星被命名为Vulcan[14]。

然而实际上，这颗神秘的“瓦肯星”并没有出现在预言中的位置。问题出在哪里呢？爱因斯坦为此提出了一个全新的理论，即我们必须抛弃牛顿和闵可夫斯基理论中关于“空间是平坦的”这一假定，并接受广义相对论的结论——时空是弯曲的。在这种弯曲的空间里，水星会稍稍偏离牛顿预测的轨道。这样一来，爱因斯坦就成功解释了观测水星时遇到的轨道偏差问题，人们也没必要去寻找那颗预言中的“瓦肯星”了。爱因斯坦的这个理论为人类带来了各种激动人心的可能性——黑洞、虫洞，甚至是翘曲速度和时间旅行。

时空的弯曲

其实在《星际迷航》的编剧构思出“曲力场”这个概念以前，爱因斯坦就已经更进一步，在理论上实现了时空的弯曲。这个理论看起来非常不可思议，简直像是上帝的神谕。不过我们知道，就像《星际迷航》的编剧一样，爱因斯坦也仅仅是个凡人之身，只不过他的想象力更理性而已——在编剧们构思高速的星际飞船的时候，他却在设想一台直达电梯。毫无疑问，这样理性的想象力让他成为一位伟大的物理学家。然而如果让他去当个剧作家，那他恐怕连一个剧本都卖不出去。

虽然爱因斯坦的一生和剧作家无缘，但他提出的理论仍然适用于《星际迷航》中的进取号。这是因为，光就像一条纱线，能够把时间和空间编织在一起。正如经线和纬线编织出了我们绚丽多彩的地球一样，光在时空中穿梭的轨迹，也编织出了一幅壮阔的时空图景。虽然说光线通常是沿直线传播的，但假如位于“战鸟”战机上的罗慕伦指挥官，向坐在舰长专艇“卡吕普索号”上、刚刚进入冲量加速过程（这里我们假设惯性阻尼器已经关闭）中的皮卡德发射一道相位光束的话，会出现什么情况呢？答案是，皮卡德会因加速前进，刚好避开相位光束带来的冲击波。若站在皮卡德的参照系来看，就会像下面图3-1中那样。

图3-1

也就是说，在皮卡德看来，相位光束发生了弯曲。除此之外，皮卡德还会发现哪些神奇的现象呢？回想一下第一章的内容，一旦惯性阻尼器被关闭，皮卡德就会被推回到自己的座位上。另外我也曾讲到过，如果皮卡德以地球上物体自由下落时的加速度大小，将自己向前加速的话，他就会感觉到，那股将他推向座椅的力，恰好等于他站在地球上时感受到的重力，他此刻就像处在地球的引力场中一样。实际上，根据爱因斯坦的理论，皮卡德（或任何处于正在上升的电梯中的人）此时没有任何办法仅通过自己的感受，来判断他受到的力是由加速产生的，还是由星舰附近星球的万有引力产生的。正是凭借这样超前的物理直觉，爱因斯坦才得以大胆地迈向物理学家们从未涉足过的领域，并得出了这样的结论：处于加速状态的观察者所看到的现象，和处于引力场中的观察者所看到的现象，其实是一样的。

上述例子表明：由于处于加速状态的皮卡德看到光束发生弯曲，那么在引力场中光线也必然会发生弯曲。如果时空真的是由光线编织的，那么时空在引力场中也必然发生弯曲。最终就导致这样一个结论——由于物质会产生引力场，那么物质本身就能够使时空发生弯曲！

你可能会想，虽然说光本身是具有能量的，并且根据爱因斯坦的质能方程E=mc²，能量又和物质（质量）紧密联系在一起，这样“光在引力场中会发生弯曲”这件事就说得通了——但这并不意味着我们能够接受“时空本身会发生弯曲”这样的说法。因为毕竟，在引力场中物体运动的轨迹会发生弯曲（例如把一个球抛向空中）。假如伽利略在当年接受了这种理论，他一定会用棒球或“开路者号”这样的物体来证明，它们的运动轨迹确实能够发生弯曲。但他永远也无法以这样的方法证明空间的弯曲性。

如果你感兴趣的话可以估算一下，假如光能够像棒球一样运动，那么光线会弯曲到何种地步；你还可以更进一步，参考亚瑟·斯坦利·爱丁顿爵士在1919年的一次日食活动中，率领考察队对近日点的星体进行观测时所做的那样，准确测量光线弯曲的程度。如果当年伽利略认为光和棒球的运动是一样的，并据此计算出了光在平坦空间的弯曲程度，那么你就会像当年的爱丁顿爵士一样，惊奇地发现你的测量值恰好是伽利略预测值的2倍。你可能已经猜到了，这个倍数“2”，正是根据爱因斯坦的理论——假如时空在太阳附近产生弯曲，而光线（这里特指水星发出的光线）在这个弯曲的时空内传播时，又产生一次弯曲，所以是共弯曲了2次——所推导出来的。凭借这个震惊世界的奇异结论，爱因斯坦一夜之间成为家喻户晓的名人。

空间的可弯曲性，为物理学的发展和人们对宇宙的认知打开了新的大门。转眼之间，我们便能够同进取号一起，从狭义相对论引出的、对于Q这种智慧生命来说简直深恶痛绝的线性思维中解放出来。在弯曲的时空中，人们可以做到许多在平坦空间中做不到的事。比如说，在弯曲的空间中，你朝着一个方向笔直前进，也能回到起点——那些环球旅行的人正是这么做的。

爱因斯坦广义相对论的先决条件可以用这样一句简单的话来概括：时空的弯曲性直接取决于它所包含的物质和能量的分布。爱因斯坦方程实际上只是给出了“时空曲率”和“物质与能量”之间严格的数学关系：

这一理论乍看上去让人根本摸不着头脑，这是因为其中存在着一个简单的循环：时空弯曲性取决于宇宙中物质和能量的分布，而这种分布反过来又会受到时空弯曲性的影响。这有点像鸡和鸡蛋的问题——到底是先有鸡，还是先有鸡蛋？物质是时空弯曲的原因，而时空的弯曲性又决定了物质发展演变的方向，物质的发展演变反过来又会影响到时空弯曲，如此反复循环，没有尽头。

对于《星际迷航》来说，这可能是广义相对论中最重要的结论了。广义相对论的复杂性本身就表明了，我们尚未完全理解它的全部结论。因此我们就不能否定那些看起来令人难以置信的各种可能性。而且正是这些可能性，成为《星际迷航》中那些绚丽夺目的科幻题材。我们将会看到，所有的这些可能性都和一个谜样的未知事物有关——它充斥于天地万物之间；从虫洞、黑洞到时间机器，它无所不在。

时空不必是平坦的，这一点对进取号的星际旅行来说非常重要，因为在这种情况下，与狭义相对论的结论相比，时间本身成为一种更灵活的量。对于不同的观察者来说，即便他们没有做相对运动，也能够感受到不同速度的时间流逝。我们可以把时钟指针滴答滴答的运动想象为橡胶尺上的一个个刻度。当我拉伸或掰弯这个橡胶尺的时候，上面刻度的间距也会随之改变。假设这些刻度的间距代表着时间的间隔，那么不同地点的时钟也就会有不同的流逝速度。在广义相对论中，让这个橡胶尺“弯曲”的唯一条件，就是要存在一个对应的引力场，而这个引力场的存在，又会以相应物质的存在为前提。

现在我用更直白的语言来描述：如果我在时钟旁边放一块沉重的铁球，那这个铁球就会改变时钟流逝的速度。或者举个更生活化的例子：如果我在睡觉时把闹钟放在身边，那么我身体的静止质量就会影响到这个闹钟，让它响得稍微晚一点。

哈佛大学物理实验室曾在1960年做了一个著名的实验，第一次成功地证明，时间流逝的速度和观察者所处的位置是紧密相连的。罗伯特·庞德和乔治·里贝卡证实，在实验楼地下室放射源处测得的伽马辐射频率，与在23米高的楼顶上测得的频率相比，有一些差别。（实验所使用的测量仪器均经过严格校准，所以任何差别都应该来源于人们的观测行为，而不是仪器本身。）不过这些差别是极其微小的——大约相差1015分之一。如果把伽马辐射的每一个周期比作是原子钟时间流逝的间隔，那么这个实验就意味着，一个放在地下室的原子钟，和一个放在楼顶的原子钟相比，前者表针走动得会稍微慢一些。之所以地下室的原子钟会慢一些，是因为与楼顶的原子钟相比，它距离地球更近一些，因此引力场也更强一些，引起的时空弯曲程度也就更大一些。虽然从宏观角度来看，两个时钟的差别极其细微，不过它的意义是巨大的。因为这个微小的值，和广义相对论中，根据时空会在地球附近产生弯曲这一结论所得到的预测值是一样的，从而在实验上证明了这一结论。

此外，虽然时空在地球附近的弯曲程度很小，但是这一效应对我们日常生活的影响却是巨大的。比如我们在开车时经常用到的GPS（全球定位系统），它是通过接收来自地球高轨道卫星的信号来工作的。通过对比不同的卫星信号到达用户接收机的时间，GPS就能精准地确定我们在地球上的位置。然而，不同的卫星飞行在各个不同的轨道上，因此它们时间流逝的速度也就不一样。尽管这个速度的差距非常小，但是它们能够让GPS的定位结果产生极大的偏差。因此，我们必须定期对卫星上的时钟进行校准，否则在地球重力的影响下，这些时钟就会产生数秒的偏差。

对于那些期待时空旅行的人来说，时空弯曲的第二个特性会更加激动人心。因为一旦时空能够弯曲，直线就不一定是两点之间最短的距离了。我们以纸上的一个圆圈为例（图3-2）。一般来说，对于直径上的两个端点A和B，它们之间最短的距离就是这条直径本身。

图3-2

如果一个二维小人打算从A点沿着弧线走到B，那么这段路程的长度大约是直径（A到B的直线距离）的1.5倍。现在我把这个圆面像橡胶一样拽住中心向外拉伸，让它的中心区域产生一个坍缩的洞（图3-3），那么情况就会完全不一样了。

图3-3

现在我们从三维的角度来观察，一眼就能看到一个明显的事实：从A到B有两种途径，第一种是先向下走，经过整个区域的中心，再绕上去到达B点；第二种是直接绕着圆弧走。前者的路程要比后者的路程远很多！如果我们此时以俯视的角度把这个图形拍成一个二维的相片，就会发现，第一种途径的路线，现在看起来就是一条直线。更形象地来讲，如果此时有只小虫子（或者是进取号遇到的那些二维生命）打算用最少的步伐从A走到B，那么它一定会采取第一种途径，因为这种途径在它看来是一条直线。然而当真正踏上行程时，它就会惊奇地发现，第一种途径并不是最短的，因为这根本不是直线！如果这只虫子足够聪明，它就会得出这样的结论：它所在的二维空间是弯曲的。但只有站在三维的角度来观察，我们才能够直接看到这种弯曲。

类似的，我们人类自身就生活在一个可弯曲的四维时空内。我们直接感知三维空间弯曲性的能力，并不比虫子直接感受二维空间弯曲性的能力强。我想你能明白这意味着什么：既然在弯曲的空间中，两点之间最短的距离不一定是直线的话，那么我们用肉眼看到的一条遥远的路径，如果从时空弯曲性的角度来看，很有可能恰恰是一条捷径。

我所提到的这些奇异理论，其实正是《星际迷航》编织梦想的素材。因此，我们很自然会提出这样一个问题：这些梦想到底有多少能够成为现实？

虫洞：连接想象和现实的桥梁。

虽然说《星际迷航：深空九号》中的贝久虫洞算是整个《星际迷航》中最著名的虫洞，不过除此之外还有着许多其他具有代表性的虫洞。例如斯科提利用进取号翘曲加速过程中物质-反物质失衡制造的破坏性极强的虫洞、《星际迷航：下一代》“代价”[15]一集中佛瑞吉人的星舰坠入其中的那个巴尔赞虫洞、航海家号在银河系的另一头想方设法回到基地时遇到的那个虫洞等。

上面的讨论过程，其实就是“虫洞”这个概念的形成过程：如果时空确实是弯曲的，那么两个点之间就可能存在不同的连接方式，从而使两点之间的真实距离，比视觉上两点之间的那条“直线”要短得多。然而人类是无法直接看到四维空间的弯曲现象的，因此，我们不得不再次通过从三维的角度来观察二维空间的弯曲，来帮助我们理解和想象三维空间的弯曲。

现在，我们设想有一块儿弯曲程度很高的橡胶板，如图3-4所示：

图3-4

显然，我们可以拿一支铅笔抵住A点，并用力往下捅，直到橡胶板上的A点随着铅笔头一起到达B点。然后我们把这两点缝合在一起，如图3-5所示：

图3-5

现在我们成功开辟了一条连通A、B两点的隧道，而且它显然比绕着橡胶板的右侧走要近上许多。另外有一点需要我们注意，那就是橡胶板在A、B两点附近是平坦的。正是由于我们在A、B两点上人为地制造了不平坦的区域，并利用一条通道将这两点连接在一起，才使得它们现在能够贴合在一起。假如现在有一只被限定在橡胶板表面爬行的小虫子（不妨假设它非常聪明），那么即便它能够绕着A点做一些调查，检验一下橡胶板的弯曲情况，它也永远不可能想到B点实际上是如此之“近”。

你可能已经猜到了，图中连接A、B两点的隧道，实际上是一个三维虫洞在二维中的模拟。理论上来讲，三维中的虫洞也能类似的连接时空中相隔甚远的两片区域。虽然说这种理论能够让人激动不已，但我希望大家能够保持严谨的态度，因为图中仍旧存在一些具有迷惑性的地方需要我们注意：首先，虽然我们在图中借助了三维透视的办法，以便我们能够“看清”橡胶板的弯曲性，但实际上这个弯曲的橡胶板并不依赖于三维空间，它能够脱离周边的三维空间而独立存在。也就是说，A、B两点之所以如此“贴近”，是因为它们其中存在着一个虫洞；如果没有这个虫洞，那么A、B两点的“贴近”这种说法在二维空间中就是没有道理的。如果想不借助虫洞实现这种“贴近”，我们就不得不从二维的橡胶板中跳出来，跳到三维空间中来实现这种自由的穿梭。如果我们的三维空间不见了，那么这块橡胶板就变成了宇宙所拥有的一切。

现在我们设想这样一种情况：你代表着一个极度发达的宇宙文明（但还没有到达Q的那种地步，因为他看起来似乎可以无视各种物理定律），并且具备在空间中制造虫洞的能力，制造过程就像我拿铅笔戳橡胶板一样简单高效。不过，即便你能够让时空发生大幅度弯曲，你在试图用虫洞连通两个相距遥远的区域时，也不得不像盲人一样摸索，以期能够有朝一日找到正确的连通途径。这是因为，在虫洞形成之前，人们没有任何办法使这两个区域彼此靠近，你根本不知道你想要连通的那片区域到底在哪里。由此可见，虫洞形成的过程，本身就是改变时空整体性的一个过程。

正因如此，制造虫洞并不是一件轻而易举的事。《星际迷航》中在巴赞总理伯瓦尼访问进取号，打算拍卖掉巴尔赞虫洞的使用权时，她曾宣称道：“呈现在你们面前的，是宇宙中的第一个虫洞，也是唯一一个具有稳定性的虫洞！”其实她的说法并不准确，因为这个虫洞根本不稳定；爱因斯坦通过严格的数学计算，证明了虫洞这种东西是转瞬即逝的。所谓的虫洞，其实是由两个极小的“奇点”——时空中那些曲率无限大的区域——短暂相遇而形成的。还没等时空旅行者穿越虫洞，它们就已经关闭了，只留下两个萍水相逢的奇点。就算有一些不幸的旅行者接触到了虫洞，他们也不可能完成这次穿越。因为在到达终点之前，他们就会被其中的一个奇点撕成碎片。

怎样才能让虫洞的入口保持在开启的状态呢？用数学工具去解决这一问题是极为困难的，不过用物理语言去描述它却是相当容易的：借用引力！任何物质或能量在自身引力作用下都会有坍缩的趋势，除非有其他的力能将其抵消。与此相似，虫洞的入口也会趋于关闭的状态，除非有什么东西能够阻止这种趋势。

因此，问题的关键就在于如何摆脱这种趋势。来自加州理工学院的物理学家基普·S·索恩，在最近几年提出过这样一个观点：只有在虫洞中融进“外来物质”，才能让它的入口持续处于开启状态。这种“外来物质”指的就是拥有“负能量”的物质。从这个特性你就可以推断出（虽然这样的推断在广义相对论中仍然疑问重重），与“抵消”引力相比，这种物质更有可能会产生一次“爆炸”。

我想，即便是那些《星际迷航》铁杆影迷，也能够逐渐接受“负能量”这种奇异的概念。毕竟从前文的论述来看，在弯曲的时空中，许多常理都会被打破。更进一步地说，如果你把用于解释微观物理世界的量子力学引入进来，那么这一切都会变得不一样了。

黑洞与霍金博士

是时候介绍一下史蒂芬·霍金博士了。凭借着对奇点理论的证明，霍金在众多研究广义相对论的物理学家中脱颖而出，闻名于世。这之后，在20世纪70年代，他又凭借着对黑洞理论的重大发现，再一次声名大噪。根据他的理论，黑洞是由完全坍缩后的物质形成的，它表面的局部引力场甚至能阻止光的逃逸。顺便说一下，“黑洞”（black hole）这个能充分激发人们想象力的词汇，其实是由普林斯顿大学的物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒，在1967年的深秋想出来的。这个时间点本身就很有意思，因为据我所知，《星际迷航》首次提到“黑洞”的一集，也是在1967年播出的。但是播出时间要比惠勒公开提出“黑洞”这个词的时间早一些，因此剧集中在描述“黑洞”这个概念的时候，用的是“黑星”（black star）这个词。为了完成这本书，我曾经重温过《星际迷航》的剧集，当时我就觉得奇怪，《星际迷航》的编剧们居然把黑洞的名字写错了。后来我才明白，他们并不是写错了名字，而是差点儿发明了一个新的物理学术语！

由于种种原因，黑洞成为一种非同寻常的东西。首先，所有黑洞的中心都隐藏着一个时空奇点，所有坠入黑洞的物体最终都会与这个奇点相遇。在这个奇点中——也就是时空曲率无限大的一点——人类目前发现的所有物理定律都会失效。在奇点附近，巨大的曲率存在于极小的范围里，以至于引力效应会受到量子力学的影响。目前还没有人能够提出一个理论，能够兼容量子力学和广义相对论（即万有引力）。《星际迷航》的编剧一定早已注意到了量子力学和万有引力的不和谐之处，不然他们为什么会把时空奇点称为“量子奇点”呢？编剧们灵感的源泉我们已无从考证，但有一件事是确定无疑的：黑洞中心的引力场的确是无限大的，任何物质在靠近它时都会被撕裂成碎片，人类掌握的物理学知识在它面前根本不值一提，所有物理定律都将失效。在黑洞面前，一切的一切都将被其碾压、吞噬。

你可能会有一个疑问，为什么我在介绍奇点的时候，说它是“隐藏”在黑洞中心呢？这是因为，在黑洞的外围，存在着一个根据数学计算推导出来的、被称为“事件视界”的界面，它会阻碍我们的观察行为，使我们看不到坠入黑洞的物体究竟发生了什么情况。如果一个物体处于事件视界内部，那么它会不可避免地和这个令人绝望的奇点相遇；而如果它在事件视界外部，那么它就有了逃跑的机会。如果一个观察者不幸坠入了黑洞，在穿越事件视界的过程中，他也（不久就会变成“它”了……）看不到任何特别的景象。然而站在远处的另一个观察者，则会得到迥然不同的观察结果。对于那个正在穿越事件视界的观察者来说，他的时间流逝速度要比另一个观察者的慢上很多。因此在旁人看来，这个穿越事件视界的观察者在接近事件视界的时候似乎在不断放慢速度。而且，这个人距离事件视界越近，他速度就被放得越慢。这个穿越事件视界的观察者，只需片刻（以他自己的时间尺度来说）便可以成功穿过事件视界——这其中并没有什么特别的事情发生——而在其他人看来，这是一段永无尽头的漫长岁月，穿越事件视界的那个人好像被卡在了时空中，动弹不得。

此外，任何物体在坠入黑洞的过程中，随着它们越来越接近黑洞中，它们反射的光会越来越难以被外界看到。也就是说，在一个物体不断接近事件视界时，它会变得越来越暗（因为它发出的辐射会降到可见频率以下）。即便你能够从外界观察到物体穿越事件视界的过程（事实上你的寿命是如此之短，以至于无法观察到这整个过程），你也无法继续观察这个物体的行踪。因为物体一旦穿过事件视界，它所反射的光线就会随它一起永远地被困在事件视界里，从而立即消失于你的视野之中。无论是什么东西，只要落入事件视界，对外界来说，它都会永远消失。这种单向通信，正像是我们常见的单行道：外界的观察者可以向事件视界内部发送信号，但永远都无法接收到反馈信息。

正是由于这样的原因，《星际迷航》中那些波澜壮阔的黑洞景象，其实并不符合我们已有的理论。比如说，事件视界并不是一个有形的实体，而是一个用来描述黑洞、划清其内外两部分的数学概念。这就意味着，航海家号从黑洞内部奇迹般逃脱时所遇到的那个黑洞“裂缝”，其实不可能存在。（裂缝这种设定的确有些荒谬，因此我已将其列入“《星际迷航》十大科学漏洞”，并附在本书的最后一章中。）此外，在一次时空旅行时，进取号曾和罗慕伦战机一起遇到了“量子奇点生命体”，并从他们手中得到了一个培育后代的场地：看上去是一个天然形成的黑洞（事实上进取号船员弄错了，这并不是什么天然黑洞，而是来自罗慕伦战机的一个人造量子奇点）。就算这个黑洞真的能起到保护孩子的作用，家长们也永远都见不到这些孩子了。毕竟，黑洞中的任何东西都无法与外界取得联系。

虽然黑洞看上去是如此难以想象，但却没有那么遥不可及。进取号搭载的穿梭机一号就曾经遇到了一个像是黑洞的“微奇点”。不过，如果它真的是黑洞的话，那么剧集中的画面就有问题了——它旁边的陨石不可能飞得那么远。有证据表明，我们的现实生活中的确存在着黑洞，它们是由比太阳质量大得多的恒星在坍缩过程中形成的。这些坍缩的恒星密度极大，从它上面挖一勺，就能得到数吨重的物质。此外，黑洞还有另一个神奇的性质：黑洞越大，形成黑洞所必需的星体质量就越小。比如一个质量是太阳100万倍的星体，它只需达到水的密度，就能够坍缩成一个黑洞。星体密度越小，所形成的黑洞密度越小。通过进一步计算，你就会发现，如果想要制造一个质量和宇宙一样大的黑洞，所需要的密度恰好就是我们宇宙现在的平均密度！也就是说，我们有可能就生活在一个黑洞之中。

1974年，霍金在研究黑洞特性时有了一个惊人的发现：它并不完全是黑的！它们的质量决定了各自的特征温度，在这个温度下，黑洞能够发出辐射，不过这些辐射并不能给出坠落物的任何信息。黑洞能够发出辐射这种设想的确不可思议，因为它违背了一些物理学理论——其中有些理论是早些时候霍金亲自证明的——即物体只能坠入黑洞，而不能够从黑洞中逃脱出来。其实如果抛开黑洞辐射的来源不谈，这些理论并没有什么错。至于这个黑洞辐射的来源，它本身不是什么普通的物质，而是真空。它的性质十分奇异——尤其是处于黑洞附近的时候。

在第二次世界大战之后不久，物理学家把量子力学和狭义相对论结合起来了。自那时起，人们就已经意识到，真空并非什么也没有，而是一片沸腾着的、量子涨落的海洋。量子涨落会周期性地产生基本粒子对，这些粒子对存在的时间极其短暂，以至我们根本无法进行观测，它们瞬间就会消失于真空之中。量子力学的测不准原理告诉我们，在这样短暂的时间中，人们无法直接探测到粒子的存在，因此我们也无法用实验证明它们不存在，从而我们把这些粒子称之为虚粒子。虽然无法直接测量，但它们的的确确存在着，并影响着诸多物理过程，而这些物理过程我们是能够直接观测的，比如原子能级之间的跃迁概率和跃迁能量。人们预测中的虚粒子，和物理学已有的测量结果十分吻合。

这样一来，我们不得不再次回到霍金那关于黑洞的惊人结论之中。正常情况下，量子涨落在产生一对虚粒子的时候，这对粒子将在瞬间湮灭于真空之中，使我们无法观察到任何违背能量守恒定律（发生在粒子对从无到有这一过程中）的现象。不过，当一对虚粒子从黑洞附近弯曲的空间中产生时，情况就会大不一样了：其中一个粒子可能会坠入黑洞，这样一来，另一个虚粒子就能够成功逃逸，并被人类检测到。这是因为，理论上来讲，与从无到有产生一个虚粒子的能量相比，粒子在坠入黑洞的过程中失去的能量更多。这样一来，坠入黑洞的粒子就会为黑洞带来“负能量”，黑洞自身的能量就变小了。这是符合能量守恒定律的。通过检测我们发现，那个逃逸的粒子得到了这部分失去的能量，这就是黑洞能够发出辐射的原因。另外值得一提的是，在这个过程中，随着黑洞能量一点点地减少，黑洞的质量也会跟着一点点地减小。这个过程持续下去，黑洞就有可能会完全蒸发掉，只留下它之前发出过的那些辐射。

霍金和许多其他物理学家们所研究的问题，已经远远超出了时空弯曲的范畴，触及到了那些更加不同寻常、尚无定论的前沿物理。如果我们把量子力学的应用范围从物质和辐射的问题上拓展到引力问题上，那么时空本身就会出现小规模的量子涨落。遗憾的是，我们目前没有发现行之有效的理论，能够解释这些物理过程，不过这并不妨碍我们继续探索新理论。其中有一个特别有趣的理论，这个理论认为量子力学中的物理过程不仅能够产生新的粒子，甚至还能够生成一个全新的“幼年期”宇宙。如果用数学语言来解释这个理论的原理，那么就有点像我们在讲广义相对论时，用来分析虫洞的那个解释过程。借助于这种“欧几里得”虫洞，我们能够架起一座“时间的桥梁”，一个全新的宇宙便可以从桥梁中横空出世。“欧几里得”虫洞和新生宇宙概念的提出，着实激动人心，以至在《星际迷航：下一代》“陨落”一集中，霍金、爱因斯坦、牛顿在牌局中都提到了量子涨落的问题[16]。我想，《星际迷航》的编剧们有理由对此感到困惑，毕竟这些问题是如此的艰难晦涩。除非有一天，我们成功找到了一种数学理论，能够完美地解释这种量子引力，否则一切都是瞎猜。

在以上诸多问题中，与人类关系最大的既不是黑洞的蒸发现象，也不是新宇宙的诞生（尽管这个问题是如此诱人），而是真空中的量子涨落问题。因为在强引力场中，量子涨落赋予了人们一种可能性，能够让虫洞入口保持开启状态。这个问题悬而未决的原因，就在于我们不知道虫洞附近的量子涨落是否能够表现出足够奇异的性质，能够让虫洞入口一直敞开。

（写到这里时，我再一次发现了《星际迷航》编剧们在遣词造句时的先见之明。在剧中，贝久虫洞和巴尔赞虫洞包含一种“斐尔特朗粒子”[17]场。我不知道这个名字是有意为之，还是随便杜撰的。不过，鉴于虚粒子——真空产生的量子涨落——是基普索恩对虫洞所需的“奇异物质”最佳的候选名字，我觉得《星际迷航》的编剧们在命名能力上的确值得称赞一番。）

现在我们扩充一下问题的范围。如果说真空中的量子涨落足够神奇，那么其他非经典物质和辐射——比如说曲速核心的裂痕，或者斯科提在曲速引擎中加入的“混合物”——也能产生量子涨落吗？以目前的物理学发展情况来说，这些问题没有答案。在我们真实的宇宙中，制造一个稳定的虫洞是无比困难的，没人知道我们到底有没有足够的能力，能够利用虫洞实现时间旅行。虫洞不仅是理想与现实的对抗，它也是一把开启新世界大门的钥匙，尽管许多人宁愿那扇门一直关着。

重访时间机器

神奇的虫洞不仅能够贯通空间中相距甚远的两个区域，它还有着更惊人的潜力。在《星际迷航：航海家号》“针眼”[18]一集中，这种潜力开始崭露头角。在本集，航海家号的船员们发现了一个小型虫洞，能够让他们回到银河系中的“阿尔法象限”。然而在经过通讯之后，船员们惊恐地发现，这个虫洞通向的并不是他们所熟悉的那个“阿尔法象限”，而是几年前的那个“阿尔法象限”。也就是说，虫洞不仅能够连通空间，它还能连通时间！

《星际迷航：航海家号》的编剧们再一次展现了他们惊人的物理直觉。的确，如果虫洞真的存在，那么它们就必然能够扮演时间机器这一角色！这个令人震惊的结论，在过去几十年中不断发展完善着。由于其他课题没有这么有趣，许多理论物理学家都开始认真对待与虫洞相关的研究课题。其实设计一个以虫洞为核心的时间机器并不难，最简单的一种情况（根据基普索恩的理论成果）或许就是：将虫洞的一端固定，另一端以低于光速的速度，在银河系远端做高速运动。理论上来讲，即便虫洞的长度保持不变，这个设计也是能够实现的。在图3-6这张熟悉的二维虫洞示意图中，在A、B两点间的虫洞保持不变的情况下，只要将底部向左拉动，让空间“滑”过B点，就可以实现我们的设计。

图3-6

此时，B点相对于它所在的空间做高速运动，而A点与它所在的空间保持相对静止。根据狭义相对论，A、B两点时间流逝的速度是不一样的。另外，如果虫洞的长度保持不变，那么一个位于虫洞中的人就会感觉A、B两点相对静止。在这个人的参考系中，A、B两点时间流逝的速度是一样的。现在我们把底端的纸滑回它原先的位置。假设在B点附近的观察者来看，这个过程耗费1天的时长；那么在A点附近的观察者来看，就有可能是10天的时长。假设现在A点的观察者通过虫洞看了B点的观察者一眼，他就会发现B点观察者身旁的日历整整早了9天！如果此时他决定穿过虫洞去拜访B点，他就会体验到时间回溯的魅力。如果你能理解这一点，那么请你再考虑一下这种情况：假设你现在决定不穿过虫洞，采用正常的方式从B点走到A点，路上花费了2天的时间；然后你再从A点以穿越虫洞的方式回到B点，路上花费了“-9”天的时间，那么你回到B点时，就会比出发时刻还要早上7天！

可以说，如果虫洞真的存在，那么时间机器就是完全可行的。我们再回顾一下上章末尾爱因斯坦提出的那个问题：根据“现有的物理学基础”，我们是否应该否定时间旅行、稳定虫洞和负能量物质的存在呢？

归根结底，虫洞只是根据广义相对论提出的时间机器的形式之一。回想一下我们前面关于这个理论的讨论，就会发现时间旅行似乎并不是一件值得惊讶的事。我们再看一下爱因斯坦那个具有启发性的公式：

方程的左端决定了时空的几何特性，方程的右端则决定了物质和能量的分布。人们在面对这个公式时，通常会有这样一个疑问：“对于给定的物质和能量分布，能够产生什么样的时空弯曲呢？”反过来也可以这样说：对于给定的空间几何结构，其中包括“封闭类时曲线”——即能够让你返回初始时间和初始地点的“因果循环”，就像进取号在遭遇波兹曼号前、遭遇波兹曼号时、遭遇波兹曼号后所陷入的那个“因果循环”一样——根据爱因斯坦方程就可以精确推导出对应的物质和能量的分布。因此，从理论上来讲，你可以根据自身对时间旅行的需要，设计出一个相应的宇宙。然后再根据爱因斯坦方程，就可以算出相应的物质能量分布形式。于是上面那个问题就变成了——从物理学的角度来讲，我们能不能构造出这种物质能量分布形式？

我们已经知道，这个问题是在讨论虫洞时提出来的。一个稳定的虫洞需要负能量物质的帮助。库尔特·哥德尔根据广义相对论提出了一个时间机器模型，这个模型涉及这样一个宇宙，它其中不存在任何压力，能量密度保持不变，它只会旋转，不会膨胀。最近有人设想出了一种涉及“宇宙弦”的时间机器，前提是存在一种负能量的分布形式。其实，不久前人们才刚刚证明，根据广义相对论，如果想要实现时间旅行，那么对应的物质分布——至少在一个观察者眼中——必须是负能量的。

有趣的是，《星际迷航》中所有涉及时间旅行和时间扭曲的剧集，都会提到毁灭性的能量释放，而且常常会和曲速核心破裂联系到一起。比如，进取号所陷入的因果循环陷阱，只会在与波兹曼号碰撞结束之后（虽然在因果循环之中，“之前”和“之后”已经失去了它们原本的含义）生效。这次碰撞的起因就是波兹曼号的曲速核心产生了裂缝，导致了进取号的毁灭，进而引起了一系列不断重复发生的事件。直到某次重复中，进取号的船员们成功避开了波兹曼号，这个循环才终于结束了。此外，在“时间平方”[19]一集中，皮卡德、戴达、特洛伊和拉弗吉在进取号上体验了一次短暂的时间停止，这也是由曲速核心裂缝引起的，不过同时也受到了罗慕伦帝国星舰上的引擎故障的影响。还有，在“赤裸时间”[20]一集中，由于曲速核心的爆炸，进取号被送回了3天前。再有，《星际迷航：下一代》最后一集中，出现了一次威力巨大的时间扭曲，导致时间不断回溯，颇有一种吞噬宇宙的趋势。这个时间扭曲的起因就是位于三条不同时间线上的进取号一同产生爆炸，并在空间中交汇于一点。最后，在《星际迷航：进取号》“时空冷战”情节中，来自31世纪的时间旅行者丹尼尔斯，成功地把亚契上校和他自己传送回1944年，并引起了时间的扭曲，这个扭曲对丹尼尔斯来说是致命的——不过他制造了一个新的时间线，安全地回到了未来。

因此，真实宇宙中的时间旅行，就和《星际迷航》中的一样，取决于是否能够得到“奇异物质”。那么，那些高度发达的外星文明有能力制造一个稳定的虫洞吗？或者说，我们能不能找到那些允许时间旅行的物质能量分布，然后再像爱因斯坦所说的那样，“根据已有的物理学基础”把它们否定掉呢？直到今天，人们仍然无法得到答案。某些特殊的时间机器——比如库尔特·哥德尔提出的时间机器和它所依赖的宇宙弦——被发现具有非物质性。虽然依靠虫洞实现时间旅行的可能性并没有被否定，但是有研究表明，在虫洞发挥作用前，量子引力的涨落就有可能会使虫洞发生自我毁灭。

在我们建立起量子引力理论之前，时间旅行的问题恐怕得不到什么有效的解决方案。尽管如此，还是有一些像霍金一样勇敢的物理学家站了出来，并亮出了自己的底牌。霍金深信，时间机器是不可能造出来的，因为它存在着许多显而易见的悖论。霍金还提出过一个“时序保护猜想”的概念，大意就是“物理学不可能允许封闭类时曲线的出现”。或许，霍金的理念并不对，物理学是允许我们改变事件的时序的。或许在未来的某一天，我们能够像《星际迷航：进取号》中的情节一样，发现了一条“时间一致”的定律，允许我们在时间旅行时，不对已经发生的事件产生任何影响。

就我个人来说，在这个问题上，我更倾向于赞同霍金的观点。不过，物理学是不会以个人意志为准的。正像我在前面说的那样，广义相对论常常会打破我们那些天真的想法和希望。为了让大家认识到，物理学的发展方向是多么不可捉摸，我在这里给大家讲述两个故事——历史上曾有两位（据我所知）杰出的物理学家说过，我们不应该把精力放在广义相对论提到的那些现象上，因为物理学定律最终将会证明它们的荒谬之处：

1．天体物理学家苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡在年轻时提出过这样一个结论：如果一个恒星核心的质量超过了太阳质量的1.4倍，那么在它燃尽其全部的核燃料之后，就不会止于白矮星的状态，而是在引力的作用下继续坍缩。另一位著名物理学家亚瑟·斯坦利·爱丁顿立即公开反对这一结论，他说：“虽然有各种偶然因素会使恒星消亡，但我不认为它能够消亡到如此地步。我想，应该会存在一条尚未被发现的定律，能够否定恒星这种荒唐可笑的变化！”当时，绝大多数天文物理学家站在爱丁顿这一边。半个世纪之后，钱德拉塞卡凭借他惊人的物理直觉荣获了诺贝尔奖，而他的理论也早就被证实了。

2．就在爱丁顿公开反对钱德拉塞卡的20年之后，在布鲁塞尔会议上出现了一件极其相似的事。美国杰出的理论物理学家、著名的原子弹之父，尤利乌斯·罗伯特·奥本海默通过计算，认为中子星——超新星演变之后留下的残骸，其密度甚至大于白矮星——的质量不可能大于太阳质量的2倍，除非它能够进一步坍缩成黑洞。另一位同样著名的物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒则反驳说，这样的结论是荒谬的，其理由和当初爱丁顿否定钱德拉塞卡时所说的理由如出一辙：物理学定律一定会通过某种方式，来保护这些星体免遭如此厄运。这之后还不到十年，惠勒就彻底认输了。讽刺的是，他反倒凭借着为黑洞命名而闻名世界。