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因为星星在那里：科学殿堂的砖与瓦 [:1707611324]
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因为星星在那里：科学殿堂的砖与瓦 四、虫洞的“创世记”——恼人的因果律
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先来谈谈第一方面的努力，即“创造”虫洞。
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所谓“创造”虫洞，指的是在原本没有虫洞的空间区域中产生出虫洞来。我们已经知道，虫洞是空间中的一种“柄”状结构，在拓扑学上具有这种“柄”状结构的空间被称为是复连通的，没有“柄”状结构（即没有虫洞）的普通空间则是单连通的。因此从拓扑学的角度讲，“创造”虫洞意味着使空间的拓扑结构发生变化。
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那么空间的拓扑结构有可能发生变化吗？物理学家们对此进行了一系列的研究。1992年，著名英国理论物理学家霍金（Stephen Hawking）证明了这样一个定理。
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[定理] 在广义相对论中，如果空间的拓扑结构在一个有界的区域内发生了变化，那么在这个变化所发生的时空范围内存在闭合类时曲线。
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不熟悉相对论的朋友可能不知道什么叫做“类时曲线”（timelike curve）。在相对论中，类时曲线是物理上可以实现的有质量物体在时空中的运动轨迹。一个物体在空间中的运动轨迹闭合是十分寻常的事情，比如钟摆的运动，行星的运动，其在空间中的运动轨迹在适当的参照系中都是（近似）闭合的。但一个物理上可以实现的运动在时空中的运动轨迹闭合（即形成所谓“闭合类时曲线”）却是非同小可的事情。因为时空中的轨迹不仅记录了运动所经过的所有空间位置，而且还记录了它经过各空间位置的时刻。因此时空轨迹的闭合意味着不仅在空间上回到原点，而且在时间上也回到原点。换句话说，时空轨迹的闭合意味着时间失去了实际意义上的单向性，或者说构造时间机器成为了可能！
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我们都知道，自然万物的演化具有明显的不可逆性，最直接的经验莫过于我们的生命本身，从出生到成长，从衰老到死亡，每一步都不可抗拒、无可逆转。时间的单向性是物理学乃至全部自然科学中最基本的观测事实之一。如果时间不是单向的，那么物理世界中的因果关系也将不复存在，因为一个逆时间而行的旅行者可以在“结果”发生之后返回过去将产生结果的“原因”破坏掉[2]。
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因此霍金所证明的定理可以通俗地表述为：
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[定理（通俗版）] 在广义相对论中，“创造”虫洞意味着放弃因果律。
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如果放弃因果律，那么不仅物理学的大部分将会被改写，连科学本身的存在都将受到挑战。因为科学本质上就源于人类对自然现象追根溯源的努力，而正是因果律的存在使得这种努力成为可能。因此，依据霍金所证明的上述定理，在有足够证据表明因果律可以被破坏之前，我们必须认为改变空间的拓扑结构（即“创造”虫洞）是被广义相对论所禁止的。
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广义相对论是现代物理学中最优美的理论之一，是引力理论和现代时空观念的基石，但它只是一个经典理论。物理学家们普遍认为，对引力和时空的真正描述就像对宇宙中其他基本相互作用的描述一样，必须是量子化的。对广义相对论的量子化被称为量子引力理论。
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那么在量子引力理论中情况又如何呢？
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早在量子理论出现之初物理学家们就已发现，许多被经典理论所禁止的过程在量子理论中会成为可能，比如电子有可能出现在经典理论不允许出现的区域中。由此带来的一个很自然的问题就是：空间拓扑结构的改变会有幸成为这种量子过程“大家庭”中的一员吗？遗憾的是，对这一问题目前还没有明确答案。引力的量子化是当今理论物理面临的最困难的问题之一，迄今为止不仅尚未建立完整的理论，连一些基本的出发点也还在争议之中。在对量子引力理论的早期研究中，人们曾经设想时空就像海面一样，从大尺度上看平滑如镜，随着尺度的缩小渐渐显出起伏，当尺度缩小到一定程度时，就可以看到汹涌的波涛和飞散的泡沫。这个极小的尺度被称为普朗克尺度（Planck scale）。按照这种设想，在普朗克尺度上时空的结构会出现剧烈的量子涨落，不仅空间的拓扑结构可以发生变化，甚至还会产生所谓的时空泡沫（spacetime foam）。
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但是，这种有关量子时空的直观设想在量子引力理论的各个具体方案中均遇到了不同程度的困难。初步的分析表明，量子引力理论并不完全禁止空间拓扑结构的改变，但是由产生虫洞所导致的空间拓扑结构的改变即使在量子引力理论中也极有可能是被禁止的。
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因此我们可以有保留地认为，就目前我们所了解的物理学规律而言，“创造”虫洞有可能是一件连无限发达的文明也无法做到的事情。
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因为星星在那里：科学殿堂的砖与瓦 [:1707611325]
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因为星星在那里：科学殿堂的砖与瓦 五、虫洞工程学——负能量的困惑
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接下来谈谈第二方面的努力，即“改造”虫洞，使之适合于星际旅行的需要。
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即便“创造”虫洞是不可能的，一个无限发达的文明仍然可以通过改造宇宙中已经存在的虫洞（如果有的话），使之成为可穿越虫洞[3]。这并不改变空间的拓扑结构，从而不违背任何禁止空间拓扑结构改变的物理学定理。
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那么，改造一个可穿越虫洞——或者更具现实意义地说，维持一个改造后的可穿越虫洞——需要什么样的条件呢？
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图17 虫洞的结构
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