虫洞，这种由广义相对论预言的奇特结构，是衔接时空中相距遥远的两个区域的捷径，因而寄托了许多人完成时空旅行的梦想。不过，现在科学家从未证明过虫洞的存在，更不用说从虫洞中穿越了。

近日，加州大学圣芭芭拉分校的付子操、Brianna Grado-White和Donald Marolfa在预印本文库网站发了两篇论文，他们结构了一个可穿越虫洞的新模型。依据他们的研讨，这样的虫洞能够在世界学常数等于0的时空中存在。

拓扑世界监督原理

在Grado-White等人的论文中，他们首先证明了可穿越虫洞在一般的时空中是不存在的，而这背面用到的物理原理是“拓扑世界监督原理”（Topological censorship）。

早在1993年，物理学家J。 L。 Friedman、K。 Schleich和D。 M。 Witt等人就宣布了拓扑世界监督原理的论文，这一原理能够以为是1969年相对论专家彭罗斯提出的“世界监督猜想”（cosmic censorship hypothesis）的连续。

世界监督猜想指出，一个旋转的带电黑洞不可能旋转得太快，因为巨大的旋转角速度会让被黑洞视界包裹的奇点暴露出来，而这是违背相对论因果性的。但彭罗斯不能从数学物理的视点来证明这个猜想，于是他以为，需要一个像天主相同的“世界监督”来制止黑洞暴露奇点。

到了1993年，世界监督猜想还没被证明，但J。 L。 Friedman、K。 Schleich和D。 M。 Witt等人继续提出了拓扑世界监督原理。要理解这项原理，咱们首先要了解类光能量条件（null energy condition）。

在时空中，光子的轨迹是一条类光曲线，这条曲线在时空中的每一点都有一个切矢量，记作类光矢量（k）。别的，爱因斯坦的引力方程中，有描写物质信息的能量动量张量（T）。T是2阶张量，能够看成一个矩阵；而k是一个矢量，能够看成是一个列向量。因而，当T与两个k相乘，得到一个数。关于一切普通的物质，这个数是大于等于0的，这便是类光能量条件：

依据拓扑世界监督原理，假如世界中的物质的能量动量张量不破坏类光能量条件，那么时空不能有特别的拓扑结构。也便是说，时空在拓扑上应该等价于四维欧氏空间、四维球面等简略的几何体，而不应该出现相似自行车内胎这样的古怪拓扑结构。而可穿越虫洞，就归于一种古怪的拓扑。所以，依据拓扑世界监督原理，在正常的时空中，可穿越虫洞不会存在。

有必要违背类光能量条件

那么，什么时候虫洞能够存在，而能被物质所穿越呢？

虫洞作为一种时空的拓扑结构，是受到爱因斯坦引力场方程限制的。爱因斯坦引力场方程的左边是空间曲率，而右边是能量动量张量。

可穿越虫洞的存在，有一个基本原则，那便是物质场的能量动量张量有必要违背类光能量条件。

任何一个的可穿越虫洞，有必要有违背类光能量条件的“负能量”来支撑。换句话说，假如一群光子想要穿越虫洞，那么这群光子对应的测地线不能在虫洞里会聚，这需要用到印度的闻名物理学家瑞查德符里（Amal Kumar Raychaudhuri）提出的方程。

研讨虫洞理论的哈佛大学物理学博士高苹告诉《环球科学》：“经过瑞查德符里的方程能够看出，在虫洞中，光线只有在物质场的能量动量张量违背类光能量条件下，才不会撞上奇点——在这种情况下，聚集在虫洞一端的光线在离开虫洞的另一端时会散开，这样才能够从虫洞中逃出来。”

因而，拓扑世界监督原理与瑞查德符里方程都指向同一个结论：“要想穿越虫洞，有必要要有违背类光能量条件的负能量！”

用世界弦结构可穿越虫洞

在Grado-White等人的论文，他们就在此基础上，结构了一个可穿越的虫洞。

首先，他们需要有两个带电黑洞，并且这两个黑洞的电荷是相反的。也便是说，其间一个黑洞带正电，另一个黑洞带负电。（尽管这样的带电黑洞在实际世界中不常见，但理论上它能够在世界学常数等于0的正常时空中存在）为什么要让黑洞带着电荷？这是因为带电黑洞内部的奇点能够被拉伸扭曲，从而构成一座通向另一个带电黑洞的桥，这个桥便是科学家梦寐以求的虫洞的雏形。

但是，有了虫洞的雏形还是不够的。因为带电黑洞之间存在万有引力和电磁力，这些力都是彼此吸引的，它们会让两个黑洞彼此靠近，这就不能结构出一个安稳的虫洞。

那么，如何才能让虫洞安稳下来呢？他们想到了世界弦。

世界弦是一个来自弦论的理论模型，能够被看成是大爆炸以后的时空结构被冰冻时构成的奇异物体，具有很强壮的张力（弹性）。早期世界中出现的弦假如随世界膨胀而扩大，那么就可能成为尺度很大的世界弦。这种世界弦能够长达几万光年，成为衔接两个黑洞的管道。在Grado-White等人的论文中，他们用到了两根世界弦。

如下图所示，蓝色的世界弦是一个闭弦，能够振荡起来发生负能量。他们计算了这些负能量对时空几何的影响，发现它确实能够防止虫洞坍塌。而黑色的世界弦是一个开弦，它衔接了两个带电黑洞的端口，依托世界弦巨大的张力阻止两个黑洞彼此靠拢。

这个解决方案使得虫洞不但安稳，并且能够被穿越。穿越这个虫洞所要花费的时间，大致与距离与光速的商在同一个量级，所以，这是一个“不快不慢”的虫洞。而在马尔达西纳等人提出的永久虫洞里，穿越的时间则要长许多，这样的永久虫洞并不合适星际旅行，只合适用来逃避星际战役。

曾经的可穿越虫洞研讨大多都与反德西特时空（世界学常数为负数）有关，而最新的研讨结构了一种在世界学常数为0的时空中能够存在的可穿越虫洞，这使得整个研讨看起来其实更符合实际。
根据最新消息，旅行者2号航天器可能终于进入了星际空间，与地球的距离或已超过 110 亿英里（180 亿公里），超越了日光层。

作为太阳磁场形成的保护性气泡，NASA 希望知晓日光层是如何实现对地球的保护的。

有趣的是，旅行者 2 号于 1977 年 8 月 20 日率先发射；而它的胞弟旅行者 1 号，则是在 16 天后才发射。

旅行者 2 号与太阳系/日光层的位置示意（图自：NASA）

两款探测器都携带了相同的科学仪器，以及一套珍贵的金色唱盘，旨在通过声音和图像，向全宇宙讲述我们所在的这个世界的故事。

旅行者 2 号已经在太空中漫游了 41 年，是美国宇航局执行时间最长的任务 —— 虽然最初预期的寿命要短得多。

一开始，NASA 只希望能坚持五年，足够完成对木星和土星的密切观察就行。

但在完成了最初的挑战之后，研究团队决定将其派送到更远的地方，直指天王星和海王星。

旅行者的新使命，是穿越严格意义上的太阳系边界，成为首个突破星际空间的人造物体。2012 年，旅行者 1 号率先突破了日光层。

为达成更为远大的目标，旅行者 2 号被实施了远程升级。

尽管排名第二，但旅行者 2 号可以为科学家们提供更有价值的科学记录，因其搭载的等离子体科学实验（PSE）仪器仍然可以使用。

PSE 能够分析太阳风夹带的电流，测量其速度、密度、温度、以及压力。略为遗憾的是，旅行者 1 号的配套设备，在进入星际空间前的 1980 年出现了故障。

11 月 5 日，旅行者 2 号的 PSE 仪器记录了太阳风粒子的速度骤然下降，且在此后一段时间内没有复现。

这是一个主要的指标，意味着它已经突破了日光层的边界。板载的其它仪器，也注意到了这一环境变化，进一步支撑了科学研究团队的结论。

旅行者 2 号搭载的等离子体科学实验仪器，记录下了一系列的电流数值下降。

需要指出的是，虽然旅行者 2 号离开了日光层，但还不算离开了太阳系。学界的共识是，太阳系的真正边缘，应该在奥尔特云之外。

这个巨大的“气泡”由冰冷的碎片构成，距离或有 1000 个天文单位（地球与太阳平均距离的一千倍）。

最令地球上的人们感到遗憾的是，旅行者号无法从星际空间传回任何图像 —— 为了保持动力，摄像机等非必要的仪器和系统已被关闭。

按照目前的速度，旅行者 2 号很可能无法在未来 300 年内抵达奥尔特云的内缘。

假设它能够在星际碎片的夹缝中生存下来，但几乎没有突破奥尔特云另一端的可能（10~30 万年）。

旅行者号探测器并非依赖太阳能电池板，而是放射性同位素热发电机（RTG）来供电，但其输出功率正以每年大约 4 瓦的速度递减。

在旅行者号之后，NASA 还启动了星际边界探测器（IBEX）、以及星际测绘与加速探测器（IMAP）任务项目，后者将于 2024 年择机发射。
 

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