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蟲洞之概述--科學與科幻的相遇—TIME TRAVEL
科學與科幻的相遇—TIME TRAVEL
“聽著，另一邊還有一個浩瀚宇宙：咱們去吧！”—肯明斯 (E.E.Cummins)
“對我們這些物理信徒而言，過去、現在和未來只是偏執的錯。”—愛因斯坦
PART1 蟲洞之概述
前言
自愛因斯坦發明相對論後，許多相關的理論也相繼被提出。理論物理先後導出了黑洞與白洞存在的可能性，以及蟲洞的特性。蟲洞(wormhole)這個名詞是由惠勒(John Wheeler)所提出，在我看過的書中有許多不同的譯名：「蠹孔」、「蛆洞」…等，但本意是相同的。以下將由廣義相對論切入，探討黑洞以及最重要的蟲洞。
蟲洞簡圖(取自科學月刊第二十七卷第二期)
圖(a)所連接的是平行宇宙；圖(b)連接的是遙遠兩端的同一宇宙
黑洞的起源
一般認為黑洞是愛因斯坦理論所導出的典型例子之一，殊不知早在十八世紀已經根據牛頓力學預言了它的存在。在1783年，英國的物理學家密契爾就已經利用錯誤的牛頓力學導出類似的解，稱為牛頓黑洞；1796年，法國的拉普拉斯(Laplace，Piere Simon)在他的著作中也有提到。但是正確的黑洞形式直到相對論之後才真正出現，稱為史瓦西黑洞。
黑洞的結構
黑洞最重要的結構就是「事件水平面」(event horizon)，有的翻譯成「視界」；又稱為「史瓦西半徑」(Schwarzschild radius)，在此範圍之內的所有物質會被吸到黑洞內部，要超越光速才能脫離黑洞的吸引。而此範圍是由史瓦西於1916年由相對論所推導出的解。
奇點是黑洞另一個重要的結構，位於黑洞的中心。其特性為：體積為零，質量無限大。因此，若欲穿越黑洞，一定會被它強大的壓力所壓扁。
愛因斯坦­—羅森橋
黑洞還有一個特性，就是會再另一邊得到所謂的「鏡射宇宙」。愛因斯坦並不重視這個解，因為我們根本不可能通行。於是，連接兩個宇宙的「愛因斯坦—羅森橋」(Einstein—Rosen bridge)被認為只是個數學技倆。
但是，在1963年時，紐西蘭的數學家克爾(Roy Kerr)的研究發現，假設任何崩潰的恆星都會旋轉，則形成黑洞時，將會成為動態黑洞；史瓦西的靜態黑洞並不是最佳的物理解法。然而，實際上恆星會變成扁平的結構，不會形成奇點。也就是說：重力場並非無限大。這使得我們得到了一個驚人的結論：如果我們將物體或太空船沿著旋轉黑洞的旋轉軸心發射進入，原則上，它可能可以熬過中心的重力場，並進入鏡射宇宙。如此一來，愛因斯坦—羅森橋就如同連接時空兩個區域的通道，也就是「蟲洞」。
若太空船以旋轉方式進入「愛因斯坦—羅森橋」—蟲洞，或許可以到達另一個時空
(本圖取自”穿梭超時空”一書)
蟲洞
目前對於蟲洞，有許多不同派的說法，也一直有新的理論誕生。在此就舉霍金(Hawking，S.W)和索恩(Kip Thorne)這兩位著名的理論物理學者分別對蟲洞的想法。霍金認為蟲洞是無數個平行宇宙的連接處；原本為了解決「薛丁格的貓」之想法，引申為多重宇宙(在時光旅行之章會談到)之後，就變成了此理論。霍金所提出的量子宇宙學中之「宇宙波函數」所架構的多重宇宙由極小的蟲洞連接，僅有一蒲朗克長度。
霍金認為蟲洞是連接許多不同宇宙的通道
(取自”穿梭超時空”一書)
索恩的研究範圍則在於：蟲洞對於時光旅行的可行性。他的理論甚至被登在世界知名的「物理評論通訊」雜誌上，從來沒有有關時光旅行的點子被搬上這種據權威性的刊物。索恩和工作夥伴認為根據蟲洞理論上可以製造出合理的時光機，他們的蟲洞是連接不同的時間，至於詳細的情形後面會再說明。
PART2 淺談時光旅行
前言
時光旅行是小說、電影中常見的情節，例如：「尋秦記」、「Time Cop」、「The 12 Monkeys」、「Planet of the Apes」、「Timeline」等。但是，你曾想過，這些可行嗎？
人類到目前為止，仍然對時間的本質不完全了解。因此，對於時光旅行是否可行的看法，因人而異。有人認為利用超光速，可以回到過去；亦有人以為，時光旅行根本不可行，因為會出現「弒父謬論」。究竟時光旅行可不可行？要用什麼方法才能辦到呢？以下我將作一個簡單的介紹。
邏輯性
如果有時光旅行，可能會有四種理論：
(A) Fate事實—Circular Causation循環因果：這是四種理論中較合理的。主旨在於我們如果能回到過去，我們只能「完成歷史」而不能改變歷史。假設你回到過去企圖去拯救意外身亡的朋友，你會發現你是造成他死亡的原因，而無法救他一命。在後面我會用「最小作用量原理」來解釋這項理論。
(B) Alternate Universe平行宇宙：你回到過去，只能創造或到達一個新的平行宇宙，當你回到現代時，會發現什麼都沒變，因為你又回到了自己的宇宙。原則上此論點原本是用來解決量子力學中的測量問題(薛丁格的貓)，由愛佛瑞(Hugh Everett)在1957年提出。由此項學說，牛津大學的道奇(David Deutsch)還延伸出了「量子電腦」的性質；因為不在我們探討的範圍之內，我就不再多談了。
(C) Success成功：以簡單的邏輯來看，改變歷史的行動決不會成功，所以此理論很明顯的矛盾。最著名的例子就是「弒父謬論」。
(D) Observer Effect觀察者效應：你會很快的了解到，當你改變歷史時，根據混沌原理，未來的你將產生無限種可能，但只有你自己知道歷史已改變，你可能會變成一個不被世界認同的「陌生人」，也就是「觀察者」。
看完上面四個理論，不難理解，唯一能讓理論學家認同的只有理論(A)或理論(B)，世界上傑出的理論學者也鍥而不捨的尋找推翻理論(C)、(D)的方法。俄羅斯的物理學家諾維可夫(Novilov，I.)在1989年成功地解釋了時光旅行的基本邏輯，敝人將在後面再詳細說明。
封閉迴圈的概念
時間迴圈的正式名稱是「封閉時間狀曲線」(closed timelike curves，CTCs)，雖然根據廣義相對論還無法判斷其正確性，但它並不違反簡單的物理規則。
行尸走肉CTCs圖(取自”穿梭超時空”一書)
有篇著名的短篇故事「行屍走肉」(All you Zombies—)推薦給大家，其中對於迴圈的描寫非常深刻，也非常容易瞭解。但是馬上有人提出矛盾了：假設有個潦倒的科學家試圖造出第一台時光機，突然有位不知名的老紳士，送他一大筆錢，並告訴他時光機的方程式和電路圖。結果，它發明了時光機之後，大賺了一筆，回到過去幫助潦倒的自己完成了機器的建造。問題出於：時間旅行的概念究竟從何而來？在此我再次地重申，時光旅行會完成歷史，所以或許根據完備的理論，在不久的將來我們可以證明這個矛盾是可以解決的。
理論的根據
史上第一項支持時間旅行的數學根據，由愛因斯坦的維也納籍好友哥德爾(Kurt Godel)提出，其實他提出這個論點的用意是在說明相對論的缺陷。但此理論亦有個缺陷：它假設宇宙塵或氣體會再宇宙中旋轉；經過觀察，我們並未發現會旋轉的宇宙塵。
1963年，紐曼(Ezra Newman)、昂提(Theodore Unti)、唐伯李諾(Louis Tambrino)亦提出了一個時光旅行的解。這個「病態的」理論，被傳統理論學者稱為「NUT」(三個人的姓)解法。因為他們的宇宙根本跟黑洞沒兩樣。
至今，愛因斯坦的相對論已經延伸出許多病態無比的解法，如果愛氏再世，一定會被這些理論搞瘋。其中對於蟲洞的解法，也容許某種形式的時間旅行。但CTCs的問題仍然存在，它是否會違反經驗法則？這個問題到了1989年才出現曙光。
最小作用量原則
經典的時光旅行謬論「弒父謬論」似乎推翻了時光旅行的可能性，因為它違反了因果律(causality)。英國劍橋大學的霍金(Hawking，S.W)對於這項謬論提出了解釋—「時序保護假說」(chronology protection conjecture)：如果要將時序路徑彎曲到自己本身，在它閉合之前，即會產生「時空奇點」(space-time singularity)。在此處的時空曲率無限大，所有的物理性質都不適用；霍金因此指出，時光旅行是不可行的。(註：奇點為體積為零，質量無限大的點；由相對論可求出的解之一。)
蟲洞理論學者索恩(Kip Thorne)、莫里斯(Michael Morris)、尤瑟福(Ulvi Yurtsever)提出另一種看法，他們將原本的逆倫血案改成「量子撞球」(quantum billiard ball)問題。他們假設一撞球置於蟲洞的入口，而出口對準撞球本身。因此，撞球會經由蟲洞出來將先前的自己撞偏或撞進洞中。若它無法將自己撞進洞中，即違反因果律；反之，則符合因果律。關於蟲洞如何造成時光旅行，在後面會詳述。
俄國的諾維可夫，在1989年為了「量子撞球」找出了適當的解釋—「最小作用量原則」(least action principle) 。簡單來說，就是「費馬定律」：光會選擇光程最短的方式行進(最短時間原則)，在力學中，粒子會尋求作用量最小的進行方式。而諾維可夫計算各種撞球路徑的可能性之後，加以比較，發現不被撞偏的作用量最小；也就是並不會違反因果律。
因此，目前我們可以論定CTCs是合乎邏輯的，也增加了時光隧道存在的可能性。但是，要怎麼做才能實現呢？
工具
假使理論上不違反因果律，那工具呢？目前最具可能性的時光機，是由蟲洞理論學者索恩(Kip Thorne)、莫里斯(Michael Morris)、尤瑟福(Ulvi Yurtsever)於1988年所提出：利用蟲洞的特性形成時光隧道，並且順利地完成有效的時光旅行。所謂的有效，指的是空間壓力不至於使工具毀壞，且時間在可行的範圍之內。他們稱這套解法為「可穿越的蟲洞」(transversible wormhole)。這個理論起源於1985年時，沙根(Carl Sagan)將小說「接觸未來」(Contact)的草稿交給索恩，請他幫忙想出如何超越光速而不違反科學規則的方法。索恩他們利用逆向操作找到了解答。
蟲洞的性質在前面已有專門篇章介紹，在此不多講述。利用蟲洞來進行時光旅行的原理很簡單，連物理研究所的學生都能計算出來；1985年加州理工學院的廣義相對論期末考上，索恩以蟲洞解法作為題目。許多學生都做了詳盡的數學分析，卻沒發現這套解法能實現時光旅行。而更驚人的是，穿越蟲洞非常舒適，全程只需兩百多天，重力小於1G！他同時也提出此理論屬於CTCs，並不是改變過去。這項論點已由諾維可夫證明。
時光旅行的方法如下：設想蟲洞的兩端原本處於相同的時間(如下頁圖所示)，將其中一端以接近光速拉到遠處後再拉回原處，發現其時間過得比較慢，所以拉回原處後時間較早。因此，我們若從圖中左方的蟲洞進入，再從右方的洞口出來，便可回到過去。
但問題是：如何製造蟲洞？如同索恩和同事所說，主要的難題在於如何利用「特異物質」(exotic matter)，以建造可通行的蟲洞。這種特異物質之壓力值為負，能夠撐住蟲洞。這種「負能量」的物體(比真空的能量少)是使蟲洞不閉合的主要物。可是，在基礎物理學中有一項基本定理：所有的物體都帶有正能量，稱為「平均弱能量狀態」(averaged weak energy condition，AWEC)，要打破AWEC狀態才能進行時光旅行。
這項問題原則上已被「喀斯米爾效應」(Casmir effect)解決，由於這項理論有點複雜，將在後面的篇章再專門介紹。
索恩的蟲洞時光機原理簡圖(取自科學月刊)
目前索恩的時光機尚未被科學界完全接受，因為它缺乏一個完整的量子重力理論。霍金即認為該蟲洞會在過程中封閉，無法完成時光旅行。雖然現在眾家紛云，但”穿梭超時空”一書的作者加來道雄認為，或許這些都可以用超弦理論來驗證。當然，如果真的有時光機的話，也不是我們目前的科技所能製造的。
PART3 喀斯米爾效應(Casimir effect)
1948年，荷蘭物理學家喀斯米爾(Henrik Casimir)證明，可以利用量子理論創造「負能量」：只需要兩塊不帶電的無限大並聯金屬板。
以量子場的觀念來看，真空並不是空無所有，而是所有可能的場分布的和；而這些場分布總和的物理效應，和真空一致，如：電荷為零、能量為零…等。
我們先定義空無一物的平直空間中的能量密度為零。而兩片平行導電金屬板之間的電磁場真空，它的能量密度和空無一物的能量密度相比(經過複雜的計算)，差值為負數，意味其電場能量密度為負值。
圖(a)中是空無一物的真空，各種不同波長的場，總和等於真空值。定義它能量為零。
圖(b)中如果在真空中置入兩片平行導電板，再板上只有振幅為零的場才能存在，比較之下，發現其能量值為負。(取自科學月刊第二十七卷第二期)

如果喀斯米爾是對的，那麼兩片平行金屬板應有吸引力，和兩片板的距離六次方成反比。1958年，美國麻州理工學院的史巴內(Sparnaay，M.Y)在實驗室中測到了這樣的吸引力，證實了喀斯米爾效應。因此，若要製造時光機，就必須在蟲洞口放置兩片巨大導電板，但其強大的電磁場所需的能量是現今科技所望塵莫及，看來，距離時光機之路還有一段距離。
參考資料
穿梭超時空，加來道雄
科學月刊第二十七卷第二期 “時光隧道—蠹孔”，郭中一
時間旅行簡史摘要，張草
時間之箭，彼得‧柯文尼&羅傑‧海菲爾德
彎曲的空間，約翰‧克立賓
空間、時間和引力，王永久
黑洞與白洞，凡異出版社