制图赵亮

正在热映的美国影片《星际穿越》，引发公众对理论物理学的兴趣。除了人们耳熟能详的黑洞，虫洞、五维时空这两个概念对许多人来说仍较陌生。

什么是虫洞

卞毓麟说，虫洞又称“爱因斯坦—罗森桥”，与黑洞一样，是广义相对论的推论。广义相对论的引力场方程，在不同情况下有不同的解，科学家对它们进行物理诠释，推测宇宙中存在黑洞、虫洞等事物。天文学家已掌握大量证据表明黑洞之存在，但至今尚未发现宇宙中存在虫洞——尽管它已在众多科幻片、奇幻片中登场，包括《星际穿越》、《来自星星的你》。可以说，虫洞是“星穿”剧的必备神器。

那什么是虫洞呢？打个比方，一张摊平的纸上有A、B两点，连接两点的最短距离是直线。有没有更短距离？当我们把这张纸卷曲起来，用笔把A点捅破，伸出去再把B点捅破，只要纸的卷曲度足够大，那么将A点与B点相连的距离就可以比平面上的直线距离更短，甚至短得多。究其原因，是先前的最短距离是对于二维平面来说的，而后来的更短距离利用了第三个维度。

这就说到了维度概念。我们生存于三维空间，这三维分别是长、宽、高。一张忽略厚度的纸则是二维的，即只有长度和宽度，没有高度。假设纸上有种“二维生物”，它们懂平面几何学，知道从A点到B点的最短距离是直线。然而有一天，一支空心的笔将卷曲的纸戳穿，把A、B两点连通，这就是二维世界的虫洞。“二维生物”发现它后，进入空心笔，从A 点到达B点，便完成了二维世界的“星际穿越”。

相对论认为，时间和空间是紧密关联的，三维的空间和一维的时间组成的统一整体就是四维时空。我们所在的四维时空充分弯曲，有可能形成存在于更高维度中的虫洞。穿越虫洞，就能以远比通常的直线运动迅疾得多的方式从宇宙的一处到达另一处。

空间为何会弯曲

那么，四维时空是否会弯曲呢？从常识看，说空间会弯曲似乎是天方夜谭。然而，广义相对论告诉我们，大质量物体会引起时空弯曲。再次拿二维平面做类比，假设世界是一张拉平的橡皮膜；　把一个大质量铅球放到膜上，橡皮膜便凹陷下去，出现明显的弯曲；原本在膜上做直线运动的小质量高尔夫球到达这一区域，便会改变运动轨迹，在弯曲空间做曲线运动。

同样道理，大质量物体也会造成四维时空的弯曲。质量越大，弯曲程度越大，相关数据可用广义相对论的引力场方程算出来。在弯曲时空中，如果存在虫洞，人类进入后就可能完成“星际穿越”。影片中几名宇航员乘飞船在虫洞中只过了一会儿，就到达了另一个星系。

回到过去是否可能

虫洞不但是星际穿越的管道，还可能是“时间隧道”。实验已证明，在强引力场或高速运动状态下，时间流逝会变慢。卞毓麟解释说，如果A点和B点相距20光年，而虫洞让人用1年时间就从A点到达B点，那么他就超越了光速。比光运动得更快，使人能够“追”上已逝去的光景，重见早先的情形，也就是回到了过去。

卞毓麟表示，虫洞在自然界中是否存在，科学界尚无定论，至少目前还未发现虫洞存在的证据。通过虫洞能否回到过去，也是理论物理学界争论的一个问题。反对者提出“外祖父悖论”：如果一个人回到过去，在他母亲出生前杀死外祖父，娶了外祖母，那么他到底是谁？“回到过去会扰乱因果律，而人们相信因果律是这个世界的普遍规律。《星际穿越》中男主角看到了小时候的女儿和他争吵的场景，却无法改变他当时做出的决定，避免了‘外祖父悖论’。”