3分钟让你了解虫洞与五维空间

宇宙浩瀚，但人类的探索从未止步。无论是科幻电影还是科幻小说，都在书写对未来的思考、对未知的大胆想象。《星际穿越》就为我们讲述了当人类遭遇生存危机时，穿越星系，寻找新家园的故事。影片所描绘的情景令人神往，宇宙飞船通过穿越虫洞，抵达另一个星系。又通过进入黑洞内部，突破时间空间的藩篱，改变了人类命运。 人民日报《发现》栏目邀请南开大学物理学院副教授李磊与记者周飞亚，聊聊虫洞、黑洞、五维空间、时空穿越等概念是否真的存在于宇宙中，人类距离真正了解它们，甚至实现电影中的穿越，还有多远？   虫洞，真的存在吗？ 在电影《星际穿越》中，未来地球已经被狂躁的沙尘暴摧毁；宇航员库珀奉命飞往外太空，通过土星附近的一个虫洞飞往宇宙另一端，寻找人类适合居住的新星球。片中土星旁边一个美丽的球状物体就是虫洞，宇宙过于广阔，从地球到达新的星球，飞船仅仅超越光速还不够，还需要一个扭曲时空的虫洞。 李磊：虫洞是在广义相对论中容许存在的一种特殊结构，它可以把时空中的两个点直接连接起来，不管这两点在空间距离上或时间间隔上相距多远。对它的简单理解，就如同一张纸上相隔较远的两个点，通过折叠将两点重合在一起。   利用虫洞的特性，我们就有可能在较短的时间内完成远距离的空间旅行，或者进行时间旅行。不过，我们还没有在天文观测中找到虫洞存在的实验证据。在理论上也还存在各种各样的困难。例如，制造和维持虫洞可能需要具有负能量的物质。   如果定义真空所具有的能量为零，那么我们通常提到的所有物质和它们的运动形式都具有正能量，负能量就是能量比真空还低。现在知道，只有量子物理中的卡西米尔效应可以提供非常微弱的负能量。所以，虫洞能否存在或制造出来，在理论上还要等待完全量子化的引力理论来作出判断。   周飞亚：虫洞为啥叫虫洞？从苹果表面的一个点到另一个点，走的是一条弧线，但假如有一条虫子在两点之间蛀出一条通道爬过去，就可以走距离短得多的直线了。而我们所在的三维宇宙，就是苹果的表面。   这个形象的概念，在1957年正式诞生，1985年首次出现在科幻小说中——这部大名鼎鼎的小说，就是卡尔·萨根所作、后来被拍成了电影的《接触》。值得一提的是，正是《接触》的流行，使物理学家对虫洞产生兴趣，进行了更深入的研究——作为科学与文学的结晶，科幻，就是以这样的方式反哺着“父母”。   如今，在物理学意义上的虫洞有着多种模型，而在科幻小说和影视中，虫洞大都是以“交通要道”的面目出现的。这样的设定，表现了人们探索的欲望和对星空的向往。古往今来，人类一直在不断开拓自己的领地，向着未知的远方进发。我们的脚步，从非洲的一个原始部落迈出，踏遍了一块大陆，再跨越海洋或天空，覆盖了整个地球，最终将目光投向了浩渺宇宙。从这个意义上来说，虫洞，不仅仅是一条捷径，更代表了一个梦想。它所通往的，不仅仅是明确的目的地，更是无限新奇的未知世界。   有趣的是，在虫洞概念诞生的同一年，苏联发射了人类的第一个航天器，向遥远的外太空迈出了第一步。这，难道不是一个必然的巧合吗？   黑洞，真的是个窟窿？   李磊：黑洞不是一个黑窟窿，而是一种密度极大的天体。从目前的研究成果看，黑洞一般由恒星演化而来。暮年的恒星，在自身引力作用下发生收缩，半径减小，中心密度增大。我们知道，质量越大，引力就越强，在恒星质量足够大、满足一定条件的情况下，其半径收缩至小于某一个值时，密度会大到在它表面的光都无法逃离的地步，这个时候天体就不可见了，我们把它叫做黑洞。   天文观测发现，除了前面所说的恒星级黑洞，在大型星系的中心还存在着由于引力坍缩所形成的超大质量黑洞，其质量可以达到太阳质量的几百万倍至一百亿倍以上。   很多人相信黑洞最后将坍缩成一个体积无穷小、密度无限大的奇点，围绕着这个奇点存在一个无法逃逸的区域，这个区域的边界称为视界。在视界以外的观察者不受视界以内任何事件的影响，也无法获得视界以内任何事件的信息。如果有人从外向内穿越了视界，那么在远处的观察者看来，视界附近的时间流逝速度也将发生特别有趣的变化。另外，从温度的角度来说，人类平安穿过视界进入黑洞的可能性也是几乎没有的。黑洞外围的温度太高，一接近它就被热成等离子体了。   周飞亚：如果要给科学界的研究对象列一个神秘排行榜，黑洞一定是名列前茅的嘉宾。质量无限大，体积无限小，连速度最快的光都无法逃脱其魔爪，谁也不能探测到其内部是什么——这样的特质，给黑洞戴上了严实的面纱。 不过，虽然神秘，但在《星际穿越》里那一系列玄乎的事物中，黑洞反而是最靠谱的一个了——至少，它是唯一经科学证实确实存在的。   哲人苏格拉底有句名言，“我所知道的就是我一无所知”，面对黑洞一筹莫展的科学家们一定会把他引为知音。不过，也正是这种几乎一无所知的境况，给了科幻文学作品尽情施展的空间。总的说来，黑洞已经客串了如下角色：宇宙中的暗礁，千万要避开的危险区域；航路上的加油站，利用其巨大的引力来获取加速度、节省燃料。   事实上，虫洞理论中的一种就认为黑洞是虫洞的一部分，在这种理论中，黑洞还有一个兄弟叫白洞，坠入黑洞的飞船就是从白洞掉出来。此外，科学家们还提出了量子层级的微型黑洞的假设，它们的结构很不稳定，产生与消失的速度都极快，而在一些科幻小说中，微型黑洞已经成为未来的大规模杀伤性武器。   看起来，这些离我们还很遥远，也许在将来的某一天，它们还会被不断发展的科学证明是谬误。但是，这并不能熄灭我们幻想未来的热情。人类一思考，上帝就发笑，可如果不思考，上帝连发笑都不屑。（据人民日报）　   五维空间   在电影《星际穿越》中，连续探索了两个看似适合人类居住的星球之后，库珀把补给留给了队友，自己再次穿越虫洞尝试返回地球，结果他坠入了一个奇幻的空间：女儿书房里的书架背后。这个时间可以逆转，库珀看到了当年在这个房间自己跟女儿告别的情景，但他无法打破这个空间，也无法让其他人看见、听见自己。这就是一个五维空间，不同于我们所在的三维空间，五维空间里时间是如同一座山一样实质存在的，库珀需要告诉女儿如何解开五维空间的方程式，能通过五维空间传递的只有重力。于是他用灰尘的重力和手表的指针发送摩斯电码，把方程式的答案传给了长大后的女儿。   科学家们认为，三维空间模型已经是非现实的，宇宙学家将时间看作第四维，而第五维指的是能量无界限。根据科学家的假设，宇宙是平坦的，而这就有可能作时光旅行。　   事实上的物理维度是多样的，我们熟知的是三个空间维度和一个常听说的时间维度： 零维向任意方向(方向是任意的)生长，就形成了一维线(直线)； 一维线延法线方向(方向在一个平面内，所以是法平面,是二维的)生长就形成二维面； 同理，二维面延法线方向(方向固定了，在一直线上)生长得到三维体。 而三维体在空间上已经没有生长可能。（这是用推论法得出的：零维点有三维生长方向，一维线有二维平面为生长方向，二维平面有一维线为生长方向。生长方向随空间维度的升高而递减。三维体的生长维数为零。）所以三维空间不可能生长成四维空间。 四维的称为时空，时间维度是独立在空间维度之外的物理维度。 那么五维是什么呢？ 如果说时间（四维）是由三维运动构成的，那么五维就是由四维运动构成的。第五维空间其实就是一个时间平面。我们可以想象，一个五维空间的物体，应该是跨越不同时间轴线的，但在任意一个时间轴线上我们只能观察到它的一部分。   还有没有六维、七维？   请注意，物理中的维度是从数学上定义的。从这个意义上来说。六维、七维乃至更高维度，都是有的。 现代物理学界公认的理论是八维空间，分为X维（物体的长）、Y维（物体的宽）、Z维（物体的高）、时间维、重力维、电磁力维、万有引力维、万有斥力维。而著名的科学家霍金所提出的宇宙模型，给出了11维空间！