可能与不可能的月光宝盒

    看过周星弛主演的影片“大话西游”的人,大概没有不对影片的关键道具“月光宝盒”产生深刻印象的。其实无论古今中外,最富于想像力的就是诸如“时空机器”﹑“时空隧道”这一类的设想了。因为时间的流逝与空间的隔绝,大概是最令人绝望的事情了,而正因为其最令人绝望,也就最适宜于以空想作为补偿。

    这个话题似乎一直都只是浪漫的空想者的专利,然而近年来,却不断有严肃的第一流的物理学家加入这个话题的讨论者行列,而在世界权威的物理学杂志上也不时出现有关这个话题的正式论文。例如在最近的一期美国的《物理评论快报》上面,就正儿八经地出现了一篇论文,计算了在什么条件下,我们可以毫发无损地通过一条时空隧道。要知道《物理评论快报》是世界上物理类排名数一数二的杂志,怎么会出现这种似乎是更适合于放在科幻小说里面讨论的题目呢?

爱因斯坦的月光宝盒

    这件怪事的原委可能还得追溯到爱因斯坦。在1915年,爱因斯坦为了能够使得一切物理学定律具有更加合理的形式,即希望对于任意的观察者,他所观测到的一切物理定律都应该具有一样的形式。为此,他提出了广义相对论。在这个理论里面,一种被牛顿认为是实质性的物理作用-万有引力,被换成另外一个角度来看待,即看成是纯粹的空间的几何结构。乍一看这也没什么惊天动地的地方,但一旦彻底地在空间结构和具有引力的物质之间建立如此紧密的关系,无数奇怪的事物就开始陆陆续续地钻了出来!

    其中最有名的一个东西就是黑洞。我们都知道黑洞就是当一颗星星比太阳至少重上几倍时,就没法象太阳那样安安静静地燃烧,而是飞快地烧一段时间后,就迅猛地在自身引力作用下坍缩。这种自引力坍缩的后果是非常严重的,因为空间当中的质量密度越来越大,就意味着空间本身开始越来越严重地受到引力的作用而明显弯曲起来!而空间弯曲下去的直接后果,就是在某种程度下,坍缩星星所处空间所发射出来的任何光线,都会沿着弯曲空间折返回来,使得外面的观察者再也无法看到弯曲中心的图像,这就形成了黑洞。

那么黑洞里面将会是何景象?如果我们能够穿过黑洞,将会发现自己突然达到了这个宇宙时空的本来非常遥远的地方,因为黑洞使得时空的弯曲如此厉害,以至于把宇宙当中相距遥远的两点粘合为一点了,就好像如果要让一只蚂蚁从树枝的一端爬到另一端,会花费一些功夫,但如果我们替它把树枝弯曲起来,使得树枝的两端接在一起,那么蚂蚁只需要一转身,就可以马上来到树枝的另一端。这样的黑洞被称为虫洞,就好像一只苹果,被虫子蛀穿了好多洞,但也为它从苹果表面的某点到另外一点,提供了不少捷径。这个比喻让无数科幻爱好者对宇宙的虫洞也充满了憧憬,因为只要我们能够钻进虫洞这个爱因斯坦的月光宝盒,马上就能够来到宇宙的另外一端,那该是多么奇妙啊!

不可能还是可能?

但是物理学家一开始就提出警告,这样的旅行要付出极大的代价。因为空间的捷径也意味着时间的逆转,一旦我们穿过虫洞,我们就来到了从前的世界。对于犯罪分子来说,他就有可能杀害自己的祖先,这将成为我们无法自拔的佯缪。

不过宇宙似乎并不愿意令人类陷入这样的尴尬佯缪,因为黑洞禁止外部的观察者看到它的内部,这个内部的外部边缘被称为事件视界,顾名思义,我们外部观察者要观察黑洞,视线所至,到达这个视界就得止步了;同时也禁止任何物质逃逸到事件视界的外面去。这个机制被喜欢开玩笑的宇宙学家称为宇宙审查官。显然正是宇宙审查官禁止我们玩穿越虫洞的游戏,于是似乎是这个审查官永久地收缴了爱因斯坦的月光宝盒。

爱因斯坦的追随者们显然对此并不服气,由于在虫洞里面广义相对论和量子力学天然地合为一体,物理学家们为了追索这个终极的理论和谐,再一次蜂拥而上,围住虫洞这类时空隧道,开始了锲而不舍的研究工作。

例如提出了极端重要的宇宙暴涨理论的麻省理工学院的理论物理学家古斯,在年纪轻轻就凭借暴涨理论获得顶级物理学家的地位之后,开始一心研究时间机器。而在1988年,加州理工学院的著名宇宙学家柯普·嵩就和他的学生一起,得到了一个初步的结论,即只要在虫洞的门口放上一大块具有负能量的怪异物质,我们就可以放心地进入虫洞,再安全地从虫洞那边出来,从而打破事件视界的魔咒,冲破宇宙审查官的拦阻。所谓具有负能量的物质,就是相比具有同样体积的真空而言,这块物质所具有的能量还要低。这样的物质在微观的量子世界是很常见的,因为常常需要这样的物质不停地被产生出来,又被湮灭掉。不过遗憾的是,要想得到大块的这样的负能量物质,又是一个几乎令人绝望的事情!

但是,就在最新一期的美国的《物理评论快报》上面,新西兰的一位物理学家威塞尔和他的同事们发表了一篇非常令人激动的文章,他们首先选择了一个非常对称的虫洞,然后认真计算了到底至少需要多少负能量物质,才能够保证我们安全通过虫洞。计算结果表明,实际上我们只需要在量子世界里面常见的那么一点点负能量物质,把它放置在虫洞的门口,就可以叫宇宙审查官乖乖投降,从而自由出入事件视界。

不过对于这个计算结果,物理学家们非常担心再次遭到科幻作家或科普作者的炒作,因此也没忘记提出一个警告:所谓只需要一点点负能量的说法,最好谨慎言之,而且对于得到这个结果的方程,也还存在别的并不那么乐观的可能性。

因此看来,月光宝盒的憧憬者们还是不得不继续保持一个烦恼的疑问:月光宝盒,可能吗?不可能吗?