從奇點到蟲洞：廣義相對論專題選講（簡體書）

本書以能量條件為線索，對能量條件在其他一些廣義相對論課題比如奇點與奇點定理、正質量定理、宇宙監督假設一併進行介紹。本書將以嚴謹的物理框架為基礎，用生動的文筆，翔實的資料，為幻想般的問題尋找盡可能現實的答案。 通過本書您將會明白以下問題，黑洞能被摧毀嗎？什麼是彭羅斯猜想？白洞是真實還是幻想？蟲洞可以構築時間機器嗎？時空的拓撲結構可以改變嗎？黑洞能作為星際旅行的通道嗎？什麼是奇異物質？奇異物質存在嗎？科幻影片中穿越蟲洞的特技合乎物理嗎？裸奇點會造成什麼麻煩？「上帝」憎惡裸奇點嗎？奇點是物理時空中的點嗎？奇點的存在有多大的普遍性？什麼樣的蟲洞才能成為星際旅行的通道？那通道一定是捷徑嗎？為什麼像「正質量」那樣貌似顯而易見的特性在廣義相對論中會成為難題？ 盧昌海，出生於杭州，本科就讀於復旦大學物理系，畢業後赴美留學，於2000年獲美國哥倫比亞大學物理學博士學位，目前旅居紐約。著有《那顆星星不在星圖上：尋找太陽系的疆界》、《太陽的故事》和《黎曼猜想漫談》，並曾在《中國青年報》、《數學文化》、《科幻世界》、《現代物理知識》、《中學生天地》、《科學畫報》等報紙、雜誌上發表幾十篇科普及專業科普作品。

但物理學家們的態度要謹慎得多，因為時間機器在物理學上一向是燙手的山芋。其中最燙手的就是由此引發的幾乎無窮無盡的因果悖論這種悖論中最典型的是所謂的“祖父悖論”（grandfather paradox），即時間旅行家重返過去后設法阻止自己的祖父母相識。這個悖論的“悖”理在于： 時間旅行家的祖父母若無法相識，他的父親就不會出生，從而也就不會有時間旅行家自己了。但時間旅行家自己若不存在，又怎能重返過去并阻止祖父母相識呢？。那些悖論是如此棘手，以至于在很長的時間里，時間機器被多數物理學家視為是幻想領域的東西，而非嚴肅課題。比如索恩研究時間機器的消息傳出后，就曾接到過朋友的電話垂詢，擔心他會“走火入魔”。甚至他本人也擔心雖然自己“老了，無所謂”，但此類消息有可能會影響學生的前程。當然，經過若干位物理學家的共同努力，如今的情況已有所改變，但時間機器依然是一個幾乎在所有方面都有著高度爭議性的話題。索恩自己的態度也非常謹慎。我們知道，索恩曾經跟霍金就宇宙監督假設打過賭，其中霍金的立場是“上帝憎惡裸奇點”。霍金對時間機器有一個類似的立場，叫做“自然憎惡時間機器”（Nature abhors a time machine）。用學術術語來說，霍金的立場叫做“時序保護假設”（我們在2.6節末尾提到過這一假設及其依據），它通俗地說就是認為時間機器起碼在宏觀尺度上是不存在的。對于霍金的這一立場，索恩也曾考慮過打賭，但思慮再三后，卻未敢下注。其原因用他自己的話說，是“我喜歡跟霍金打賭，但只打我有合理可能性會贏的賭”。索恩并且承認，就時序保護假設而言，無論從直覺還是親自做過的計算來看，他都覺得“霍金有可能是對的”。
如果霍金是對的，即“自然憎惡時間機器”，那么用蟲洞構筑時間機器就應該是不可能的。但索恩——如上面三個步驟所顯示的——又明明已經至少在理論上找到了構筑時間機器的方法，這該做何解釋呢？對此，美國物理學家沃爾德和杰羅奇提出了一種可能性，那就是蟲洞一旦被構筑成時間機器，會在構筑成功的一瞬間就自動毀滅。因為在那一瞬間，任何細微的輻射都可以通過蟲洞返回過去，與它自身相疊加。這種疊加過程可以在零時間內重復無窮多次，從而產生毀滅性的自激效應對于這種可能性，索恩本人持有一定的異議，他認為蟲洞喉嚨處的奇異物質會因負能量的緣故，而對輻射產生散焦（defocus）作用。這種散焦作用可以顯著削弱輻射與它自身相疊加的效果，從而避免時間機器被摧毀。這方面——以及更一般的有關“時序保護假設”——的研究目前仍在進行之中。
除去理論層面的考慮外，用蟲洞構筑時間機器還面臨著實際層面上的諸多困難。事實上，構筑可穿越蟲洞本身就已如此困難，通過種種操作在其出入口之間產生可觀的時間差無疑更是難上加難。從這個角度看，用蟲洞構筑時間機器的前景是相當渺茫的。