1935年,爱因斯坦与罗森在《物理评论》发表《广义相对论中的粒子问题》。他们要处理的不是星际旅行,而是电子内部那处无穷大:能否用引力场方程的一个无奇点解——两个渐近平直区域由一个“桥”连接——给点粒子一个有限大小的几何模型。方案几年内即被放弃,但那个几何留了下来,1957年被惠勒命名为虫洞。
本文的论点是:虫洞在公众想象中的地位,来自它在广义相对论解空间里的廉价程度,而不来自证据。写下一条度规就能得到一个,这使它成为一个检验理论容错率的思想装置。真正被追问的不是宇宙里有没有它,而是“广义相对论加量子场论”这套框架能容忍什么。就目前状态而言,这是一个关于理论边界的问题,不是关于宇宙内容的问题。
一、第一个身份是粒子模型,不是通道
爱因斯坦-罗森桥的口径随时间演化。1962年,富勒与惠勒计算了动态版本:桥不静态,会在有限时间内收缩到零,任何试图穿越的物体在抵达另一端前就被潮汐力撕碎。这是“可穿越性”第一次被当作可计算问题,答案是“否”。证据等级:理论自洽要求,但依赖两个明确假设——经典广义相对论、检验粒子不带量子效应。这条结论的失效边界也正在这里。
二、“可穿越”是被重新设计出来的
1985年,卡尔·萨根为小说《接触》向索恩询问穿越的可能性,直接催生了莫里斯与索恩1988年的论文。他们的做法不是找现成解,而是反向设计:给定一个可穿越的度规,问场方程要求什么样的物质。答案是违反零能量条件的物质——在某些零测地线方向上能量密度为负。量级估计:喉部半径为r时,所需负质量当量约为rc²/2G,r=1米对应10²⁶千克量级,即木星质量的十分之一上下(量级估算,非精确解)。证据等级:数学上属理论自洽要求;物理上能否实现,是纯假说。
三、量子不等式:负能量不免费
负能量并非虚构:卡西米尔效应在1微米间隙给出10⁻³帕量级的负压,已被精确测量。但福特与罗曼1995年提出的量子不等式给负能量设了上限:其大小与维持时间受ħ/τ⁴量级压制,越强越短命。要撑住宏观喉部所需的量级,与这一限制相差数十个数量级。证据等级:主流但存争议——量子不等式依赖场的类型、曲率时标等假设,在更高维或修正引力框架中有人尝试放宽,属少数派工作,尚未推翻结论。
四、ER=EPR与量子处理器上的“虫洞”
2013年,马尔达西纳与萨斯坎德提出ER=EPR,把纠缠与几何连接等同;2016年高苹、杰弗里斯与沃尔在AdS/CFT中构造出靠耦合维持的可穿越结构。2022年,杰弗里斯等在《自然》报告:用谷歌Sycamore处理器、不足二十个量子比特模拟SYK型模型,观测到信息从一个子系统转移到另一个,被媒体称为“在芯片上造出虫洞”。
这是当前最真实的一处分歧。支持方认为,在规范/引力对偶下,该模型的引力侧确实是含虫洞的几何,实验是对偶词典下可操作的实现。批评方指出:被模拟的只是一个量子多体哈密顿量的演化,其“穿越”在数学上等价于量子隐形传态,全程不含任何引力自由度,也没有任何现象超出普通量子力学。称其为虫洞,是理论词典的用法,不是实验室里出现了虫洞。证据等级:量子比特读数属直接观测;其引力解释是模型依赖的理论诠释。
五、证据等级清点
- 广义相对论存在此类解:已确立(1916/1935,纯数学结果)。
- 经典解不可穿越:理论自洽要求(1962,依赖特定解与物态假设)。
- 可穿越需负能量:理论自洽要求(1988)。
- 宏观负能量受量子不等式压制:主流但存争议(1995)。
- 宇宙中存在可穿越虫洞:纯假说,直接观测证据为零;LIGO/Virgo的引力波信号与EHT的黑洞阴影,用不含虫洞的模型即可完整解释。
六、边界在哪里
观测侧没有正面证据。引力波回声、黑洞阴影对虫洞模型的约束,只是在排除某些参数区间,从未构成发现。理论侧卡在两处:一是负能量的可持续性,二是半经典引力本身的适用范围。下一步需要的不是更大的望远镜,而是一个能对“喉部稳定性”给出计算的量子引力框架;在此之前,任何关于它的断言都只能停在解空间里。
值得记住的是:一个结构能在方程中免费出现,恰恰说明这套方程对它没有约束力。虫洞的沉默,测的不是宇宙的贫瘠,而是我们理论的宽松。
参考文献
- Einstein, A. & Rosen, N. 1935, Phys. Rev. 48, 73
- Morris, M. S. & Thorne, K. S. 1988, Am. J. Phys. 56, 395
- Ford, L. H. & Roman, T. A. 1995, Phys. Rev. D 51, 4277
- Maldacena, J. & Susskind, L. 2013, Fortschr. Phys. 61, 781
- Jafferis, D. et al. 2022, Nature 612, 51