虫洞和时间旅行

Linas Juozėnas

知识方舟 · 宇宙 · 第09章 / 第06篇

如果空间有一条捷径呢？

虫洞让物理学家得以探究时空可能如何连接遥远的地点，以及这些连接是否会在时间中形成循环。其数学内容十分丰富。如何将这样的几何变成真实且可穿越的物体，仍是一个未解问题。

假设性几何量子约束因果性与时间

假设性时空连接的概念示意图。

几何所提出的时空是否包含一条旅行者实际上可以穿越的路径？

物质物理上可能存在的场能否提供所需的能量和应力？

因果性完整的安排是否会让一个事件影响它自己的过去？

虫洞与时间旅行

一个解是问题的起点。

想象一下，通过一条更短的时空路径抵达遥远的目的地。虫洞是以数学方式探索这种可能性的一种途径。

从写下一个几何模型到在自然界中找到它，需要经过多项检验：是什么支撑它、它如何形成、能否经受扰动，以及哪些观测能够揭示它。本文将围绕这些检验展开，同时将测得的时间膨胀与假设性的回到过去的旅程分开讨论。

改变路线可以改变旅程

什么是虫洞？

虫洞是一种假设的时空几何，通过额外路径连接不同区域。它的入口通常称为洞口；狭窄的连接区域称为喉部。根据模型的不同，洞口可以通向同一宇宙中的不同区域，也可以通向彼此分离的外部区域。[1]

该图假设存在一条可穿越的连接。更短的路线可以在旅行者局部低于光速移动的情况下缩短旅行时间。实际距离和旅程时间取决于时空几何。[1]

折纸图像有助于展示一条捷径，但其中额外的绘图维度只是可视化工具。物理问题涉及时空中的距离和因果路径。虫洞不一定是一个在我们能够进入的周围空间中弯曲的管道。[2]

数学上的桥梁仍可能无法通行

哪些虫洞可以让旅行者穿越？

爱因斯坦–罗森桥

在 1935，爱因斯坦和罗森在研究广义相对论中粒子的一种描述时提出了桥的构造。他们的目标并不是设计星际运输工具。[3]

最大延拓的永恒施瓦西几何中的桥在数学上连接两个外部区域。然而，无论是有质量的旅行者还是光子，都无法从一个外部区域穿越到另一个。即使没有人试图进入其中，其不可穿越性也源于因果结构。[4]

莫里斯—索恩问题

莫里斯和索恩转而思考：一个人要穿越某种几何结构，需要满足什么条件。在他们熟悉的静态球对称模型中，喉部必须保持开放，通道必须避开事件视界，而且潮汐应力和旅行时间必须适合旅行者。[5]

构造出具有这些特征的几何结构后，还需要完成另一项工作：找出能够支撑它的物质和场。静态解本身也不能证明该系统能够形成，或在受到扰动后仍会保持稳定。[5]

难点在于所需的应力—能量

为什么讨论中会涉及负能量？

爱因斯坦方程将时空曲率与能量、动量、压力及其他应力联系起来。在爱因斯坦引力下的标准莫里斯—索恩喉部结构中，几何结构要张开，就需要在喉部附近违反零能量条件。[5]

零能量条件的紧凑形式

T_μνk^μk^ν ≥ 0

这必须对每个零向量 k 都成立，k 表示光状方向。相比之下，弱能量条件要求每个类时观测者测得的能量密度都非负。它们是关于应力—能量的相关假设，并非可互换的定义。[6]

仅有负压是不够的。对于理想流体，零能量条件为 ρ + p ≥ 0，其中 ρ 表示能量密度。宇宙常数满足 p = −ρ，并使该条件取等号。虫洞中的应力通常具有方向性，因此径向压力很重要。[6]

量子物理学允许什么，又约束什么

量子场可能具有局部为负的重整化能量密度，这是相对于适当参考态定义的。这并不意味着存在一种可以自由收集、且负能量无限的物质。量子能量不等式会约束适当的平均值，具体界限取决于场及其物理环境。[7]

近距离表面之间的卡西米尔力已经得到测量。这一观测检验的是取决于边界条件的量子场效应；它并不能证明存在能够支撑虫洞保持开放的材料。[8]

普通反物质同样无法绕过这一要求：反粒子和普通粒子一样，都是正能量激发。电荷相反并不意味着能量为负。[9]

福特和罗曼将量子界限应用于静态球对称虫洞，发现虫洞喉部和负能量区域的大小受到严格限制。在特定的半经典假设下，他们的分析构成了强有力的约束，但并不是排除所有可能虫洞模型的定理。[10]

较慢的时钟与回到过去的循环是两种不同的现象

物理学中的“时间旅行”是什么意思？

抵达他人的未来

沿着不同路径穿过时空的两只时钟，可能积累不同的固有时间。旅行者回来时，可能比留在原地的人衰老得少。相对论导致的时钟差异已经得到实验验证，其中包括使用精密原子钟进行的比较。[11]

从这个意义上说，旅行者在自身经历的时间较少的情况下，到达了其他人生命历程中更晚的阶段。两只时钟仍沿各自的路径前进；这一过程不会让旅行者回到更早的事件。[11]

回到自己过去的某个事件

闭合类时曲线（CTC）是时空中一条指向未来且首尾相接的类时路径。绕行一颗行星会让你在稍后的时间回到某个地点。CTC则会让你回到同一个时空事件，从而使因果循环成为可能。[12]

一些数学解包含这样的曲线。哥德尔旋转宇宙模型就是一个著名例子；它的性质并不符合我们观测到的宇宙。找到方程的一个解，并不能证明自然界能够在现实条件下形成这种时空。[13]

先假设虫洞可以穿越，再考察其后果

两个洞口如何产生时间循环？

在莫里斯–索恩–尤特塞弗思想实验中，相对运动会使两个洞口在虫洞连接持续存在期间积累不同的固有时间。将它们带入合适的排列状态后，穿过虫洞就可能连接外部时钟上时间不同的事件。[2]

这一构造假设虫洞及其支撑场能够在该过程中存续。这是关于某种几何结构的条件性论证，而不是已确立的工程方法。[2]

这是在确定了虫洞口偏移量之后构造的一个假想示例。所有时间均采用同一个外部静止参考系时钟约定；0.1 年的中转修正时间并未指定为旅行者的固有时间。对于一年期的外部返回旅程，可以设想两个虫洞口相距 0.8 光年，以 0.8c 的速度行进，并忽略加速时段。[14]

偏移量超过了中转修正时间加上外部旅程所需的时间。提前返回 B 点后，还剩下等待的时间，从而闭合环路。[14]

仅有时间偏移并不能保证形成闭合类时曲线。相对于可用的返回路线，它必须足够大，才能让完整旅程闭合。[2]

自洽性和量子反作用成为核心问题

自然会阻止时间机器吗？

悖论探讨的是历史是否自洽

祖父悖论设想这样一种行动：它消除了促成该行动发生的条件。相反，对闭合类时曲线的经典研究可以探讨是否存在自洽历史。一些玩具模型具有一致解，有时甚至不止一个。这并不能证明时间机器存在，也不能证明旅行者可以随意改写已记录的过去。[15]

Hawking 的年代保护猜想

Hawking 提出，物理定律可能会阻止闭合类时曲线形成。当违反年代原则的区域接近形成时，量子场可能会产生强烈响应，通过反作用改变几何结构。这些论证促成了年代保护的概念；但它们并非针对每一种可能的因果环路的普遍性证明。[16]

Kay、Radzikowski 和 Wald 证明了一个更具体的障碍：对于他们所研究的那类视界和量子场，标准的量子态正则性会在某些视界点失效。通常的重整化应力—能量构造随后会在那里失效。这并不能证明处处存在无限能量，也不能确定完整量子引力理论会如何处理。[17]

拓扑审查排除了什么？

在渐近平坦性、整体双曲性和平均零能量条件等假设下，拓扑审查限制了对非平凡时空拓扑的因果访问。改变这些假设会改变该定理所能确立的结论。它不同于年代保护和宇宙审查，后两者关注的是不同问题。[18]

量子信息提供了研究几何结构的新方式

为什么虫洞会出现在纠缠研究中？

ER = EPR 是一种假设性的联系

马尔达西纳和萨斯金德提出了爱因斯坦–罗森桥与量子纠缠之间存在联系。某些纠缠黑洞态具有包含桥梁的几何描述。更广泛的 ER = EPR 假说探讨了这种关系可以延伸到何种程度；它并不会把每一对纠缠态都变成可用的隧道。[19]

受控全息模型中的可穿越性

高、贾菲里斯和沃尔证明，对特定反德西特模型的边界进行耦合，可以产生负的平均零能量，并使其桥梁变得可穿越。这一构造包含两侧之间的明确相互作用，并遵守因果律。[20]

这类模型很有价值，因为引力和量子信息可以通过互补的描述进行研究。它们的边界条件和相互作用属于物理学的一部分；它们并不会自动提供一种在我们宇宙中打开远距离地点之间捷径的方法。[20]

量子处理器实验的实际内容

在2022年，研究人员在九量子比特电路上实现了一个简化的量子模型，并研究了他们通过引力描述加以解释的传态动力学。该实验探索了量子动力学与虫洞物理学之间的假设关系。[21]

加州理工学院明确解释说，该实验并未创造出真实的时空虫洞。它是一个受控量子系统，并不是物体可以穿过的传送门。[22]

后续研究人员质疑这一简化模型对引力解释的支持力度；原研究团队则为实验范围进行了辩护。这场争论涉及对模型的解释，而不是实验室中观测到了一条隧道的开启。[23], [24]

必须将理论预测的特征与实际探测结果区分开来

天文学家可以如何搜寻虫洞？

研究人员计算假设的几何结构会如何弯曲光线，或影响来自附近物质的辐射。在某些模型中，当光源和观测者位于同一侧时，成像结果可能与黑洞图像极为相似。来自另一侧、穿过喉部到达的光线则可能产生不同的图案。[25]

这些属于模型预测。一项有用的检验必须明确几何、光源和观测条件。仅凭异常明亮的环状结构，无法确认这是虫洞。[25]

引力波提供了另一条途径。某些致密、无视界模型可以模拟黑洞早期的振铃，同时在较晚时刻表现不同。任何声称存在差异的结论，都需要与通常的天体物理学解释、探测器效应以及每个模型背后的假设进行仔细比较。[26]

尚无确证观测能够证明可穿越时空虫洞的存在。研究某种几何可能产生的信号，或在处理器上实现相关方程，与在自然界中探测到该天体是两种不同的成就。[22]

这个问题的价值超越了星际旅行

什么才能将模型转化为物理方案？

一个可信的方案必须将多个要素联系起来：时空几何、一致的应力—能量源、该构型可能形成的方式，以及它如何响应扰动的描述。允许增加一种类型的场，或改变引力理论，都会改变问题，并引入更多有待检验的预测。

即使是可穿越的数学解，也未必适合旅行者。潮汐力、辐射、喉部尺寸以及可供穿越的时间都很重要。这些问题与路径是否确实存在，是彼此独立的。[5]

虫洞对物理学仍然有用，因为它们迫使我们精确追问几何、能量和信息。时间回路模型对因果关系也有同样作用：它们揭示了哪些假设使历史可预测，以及熟悉的描述在哪些地方不再可靠。

科幻作品可以把一个稳定的通道作为出发前提。物理学则会追问：什么能够支撑这一前提——又有哪些证据能让我们在宇宙中识别出它？

资料来源与延伸阅读

原始相对论与量子场研究、实验室报告和基于模型的观测研究。资料核查于2026年9月；所有虫洞插图均为假设性内容。

马克斯·普朗克引力物理研究所——虫洞引入了假想的虫洞口、捷径和时间偏移，同时区分模型与已确立的物理对象。
莫里斯、索恩和尤尔特瑟弗（1988）——虫洞、时间机器与弱能量条件条件性构造通过假定存在可穿越虫洞，将虫洞口的微分老化转化为时间偏移。
爱因斯坦和罗森（1935）——广义相对论中的粒子问题最初的桥被提出作为一种粒子的几何模型，以避免场奇点。
科拉斯和克莱因（2011年预印本）——施瓦西虫洞的嵌入与时间演化最大延拓的施瓦西桥无法在其外部区域之间穿越，即使光也不能。
莫里斯和索恩（1988）——时空中的虫洞及其在星际旅行中的应用静态可穿越几何需要一个规则的喉部、没有视界，以及可接受的通行条件。
孔图和桑德斯（2020）——广义相对论和量子场论中的能量条件定义了零能量条件和弱能量条件及其理想流体形式，包括压力的作用。
菲斯特（2012）——量子能量不等式讲义解释了量子负能量、参考态减法，以及对适当平均能量密度的界限。
拉莫罗（1997）——0.6至6微米范围内卡西米尔力的实验证明报告了利用扭秤测量间距很小的导电表面之间的卡西米尔力。
大卫·唐——量子场论，第5章：量子化狄拉克场展示了量子化狄拉克场中粒子和反粒子作为真空之上的正能量激发。
福特和罗曼（1996）——量子场论限制可穿越虫洞的几何形状将量子能量不等式应用于静态球对称虫洞，并发现其长度尺度受到严格限制。
周等（2010）——光学钟与相对论光学钟测量出了由运动和引力势差异所预言的不等逝时间。
弗朗西斯科·S·N·洛博（2010）——闭合类时曲线与因果性违背闭合类时曲线在始终局部指向未来的同时，返回其起始时空事件。
埃利斯（2000）——关于哥德尔宇宙学解的编者按哥德尔的旋转、非膨胀宇宙学包含闭合类时曲线，但并不描述观测到的膨胀宇宙。
基普·S·索恩（1992）——闭合类时曲线虫洞口的识别可以在条件性时空构造中形成闭合因果路径。
弗里德曼等（1990）——具有闭合类时曲线时空中的柯西问题自洽性要求局部事件符合一个全局解；但这并不能证明存在分支时间线。
Hawking（1992）——时间顺序保护猜想提出量子反作用可能成为制造闭合类时曲线的障碍。
Kay、Radzikowski 和 Wald（1997）——具有紧致生成柯西视界的时空中的量子场论证明了在紧致生成的柯西视界基点处，标准量子场正则性会失效。
Friedman、Schleich 和 Witt（1993；1995 年修订预印本）——拓扑审查在渐近平坦性、整体双曲性和平均零能量假设下，限制了因果访问非平凡拓扑的可能性。
Maldacena 和 Susskind（2013）——纠缠黑洞的“冷视界”提出了纠缠与桥接几何之间 ER = EPR 的联系。
Gao、Jafferis 和 Wall（2017）——通过双迹变形实现可穿越虫洞在受控的反德西特模型中，边界相互作用产生了可穿越性，同时没有违反因果律。
Jafferis 等（2022）——量子处理器上的可穿越虫洞动力学一项九量子比特实验实现了一个简化的量子模型，并通过全息原理诠释其隐形传态动力学。
Caltech（2022）——物理学家利用量子计算机观测虫洞动力学实验所在机构明确解释说，并未真正创造出时空虫洞。
Kobrin、Schuster 和 Yao（2023）——对《量子处理器上的可穿越虫洞动力学》的评论质疑简化模型是否能够唯一地证明所声称的引力动力学。
Jafferis 等（2023）——对《关于虫洞动力学的评论》的回应实验作者为其诠释辩护，并澄清模型的适用范围。
Chen 等（2024）——可穿越虫洞的观测特征当光线经由喉部到达观测者时，模型图像可能与黑洞相似，也可能有所不同。
Cardoso、Franzin 和 Pani（2016）——引力波振铃是否能探测事件视界？紧致无视界模型可以模拟早期黑洞的振铃现象，因此有必要仔细检验其晚期行为。

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