一九八五年的一个学期末，加州理工大学 (California Institute of Technology)
的理论物理学教授 Kip S。 Thorne 刚刚上完一学年的课，正慵懒地靠在办公室的椅
子上休息，电话铃却忽然响了起来。
打来电话的是他的老朋友，著名行星天文学家
Carl Sagan。 Sagan 当时正在撰写一部描写人类与外星生命首次接触的科幻小说。
写作已经接近尾声，但身为科学家的 Sagan 希望自己的作品 - 即便是一部科幻小说
- 也尽可能地不与已知的物理学理论相矛盾。
在这部小说中 Sagan 安排女主人公通
过黑洞 (Black Hole) 穿越了 26 光年的距离， 到达遥远的织女星 (Vega)。这是整
部小说中最具震撼性的情节， 但是从物理学的角度来看， 却也是最可疑的细节。于
是 Sagan 打电话给从事引力理论研究的 Thorne，为这一细节寻求技术咨询。
经过一
番思考和粗略的计算，Thorne 告诉 Sagan 黑洞是无法作为星际旅行的工具的，他建
议 Sagan 使用 wormhole (虫洞) 这个概念，于是便有了随后出版并被拍成电影的著
名科幻小说 ?Contact?。
Sagan 的小说顺利地出版了，Thorne 对 wormhole 的思考却没有因此而结束。
三年
后，Thorne 和他的学生 Mike Morris 在 American Journal of Physics 上发表了
题为 “时空中的 wormhole 及其在星际旅行中的用途” 的论文 [1]，由此开创了对
所谓 “可穿越 wormhole” (traversable wormhole)[注一] 进行研究的先河。
作为
教学性刊物的 American Journal of Physics 也因此而有幸在一个全新研究领域的
开创上留下了值得纪念的一笔。
Morris 和 Thorne 的文章在 wormhole 研究中具有奠基性的意义，不过 wormhole
这一名词却并非是他们两人的发明。
早在一九五七年 C。 W。 Misner 和 J。 A。 Wheeler
就在一篇文章 [2] 中提出了这一名词。那篇文章讨论的主题是所谓的 “几何动力
学” (Geometrodynamics) - 一种试图把物理学几何化的理论。Misner 和 Wheeler
的 “几何动力学” 后来并没有走得很远，但他们在文章中提出的 wormhole 这一
概念却在事隔三十一年之后得到了全新的发展，并成为以星际旅行为题材的科幻小说
中的标准词汇，可谓是 “有心栽花花不开，无心插柳柳成荫”。
二。 什么是 wormhole？
那么究竟什么是 wormhole 呢？形象地说 wormhole 是连接两个空间区域的一种 “
柄” 状的结构。 [图一] (插图请见文末的原文网址) 便是一种很流行的 wormhole
图示，图中用蓝色轮廓线表示的倒 U 字形曲面代表我们生活在其中的空间，连接两
个空间区域 A 和 B 的黄色线段代表的便是这种 “柄” 状结构，即 wormhole 结构
。
[图一] 是一种抽象化的图示，黄色线段实际上代表的是具有一定线度的结构，类
似于后面图三所示。不难看到，由于这种 “柄” 状结构的存在，在 A 和 B 之间存
在着两种不同类型的路径：一类由绿色曲线表示，代表在普通空间中的路径；另一类
由黄色线段表示，代表由于 wormhole 的存在而形成的新路径。
由 [图一] 可以看到
，沿黄色路径从 A 到 B 显然要比沿绿色路径近得多。通常科幻小说 (包括前面提到
的 Carl Sagan 的小说 Contact) 中描述的通过 wormhole 进行星际旅行指的就是沿
图中黄色路径进行的。
[图一] 所示的 wormhole 被称为 “宇宙内 wormhole” (intra-universe wormhole
)，它连接的是同一个宇宙中的两个不同的空间区域。除此之外，在理论上还有一类
所谓的 “宇宙间 wormhole” (inter-universe wormhole)，这类 wormhole 连接的
则是两个不同的宇宙。
我们所讨论的星际旅行中的 wormhole 通常属于前一类。不过
由于这两类 wormhole 的差别仅在于空间的大范围拓扑结构，对于讨论 wormhole 本
身的结构来说它是属于哪一类的并不重要。
在进一步讨论 wormhole 之前，有必要先澄清一个或多或少存在于文献中的概念误区
(或者说即使文献的作者心中并无误区，却特别容易在读者中造成误区的概念)，那
就是 wormhole 的存在并不意味着它们就是空间中的短程连接 (short-cut)，也就是
说并不意味着它们可以作为有意义的星际旅行手段。
仔细观察 [图一] 不难发现 wormhole
之所以成为 A B 之间的短程连接完全是由于空间弯曲成倒 U 字型所致。按照广义
相对论，空间 (确切的说是时空) 的弯曲是由物质分布决定的，因而 [图一] 所表示
的 wormhole 除了 wormhole 本身外，还对远离 wormhole 的背景空间中的物质分布
作了十分苛刻的假定。
如果不作这种相当人为的假定，wormhole 的结构更有可能类
似于 [图二] 所示。在 [图二] 中，由 wormhole 所形成的连接 A B 的黄色路径要
比普通空间中的路径 (绿色路径) 更长。很明显，利用 [图二] 所示的 wormhole 做
A B 之间的星际旅行是不明智的举动。
因此在概念上 wormhole 并不等同于星际旅
行的捷径。
三。 Carl Sagan 式的问题
尽管如此，wormhole 无论对于物理学家，天文学家还是星际旅行家来说都依然是一
个极富魅力的概念。前面提到的行星天文学家 Carl Sagan 对于星际旅行的许多问题
有一种很独特提法，即从一个无限发达的文明 (infinitely advanced civilization
) 的角度来看星际旅行的可行性。
对于 wormhole，一个 “Carl Sagan 式” 的问题
可以表述为：
一个无限发达的文明是否可能利用 wormhole 作为星际旅行的工具？
Sagan 所谓的 “无限发达的文明” 指的是在物理规律许可的情况下拥有一切能力的
智慧生命。
对于这种无限发达的文明来说 [图一] 和 [图二] 所示的 wormhole 并无
实质的差别，只要 wormhole 存在，即使它的结构如 [图二] 所示，他们也可以通过
改变背景空间的曲率使之变为 [图一] 的形式。因此在这种 “Carl Sagan 式” 的
问题中背景空间的具体结构并不重要。
要利用 wormhole 作为星际旅行的工具当然首先得要有 wormhole。宇宙间究竟有没
有 wormhole？这归根结底是一个观测的问题。迄今为止在天文学上并没有观测到任
何有关 wormhole 存在的直接或间接的证据，因此现阶段我们对 wormhole 的探讨仅
限于理论范畴。
自 Morris 和 Thorne 以来物理学家们在对 wormhole 的研究上又获
得了一些重要的结果。这些结果主要是在引力和时空的经典理论 - 广义相对论 - 的
框架内获得的。经过近一个世纪的研究，物理学家们对广义相对论的数学结构已经了
解得十分透彻。
尤其是近三十余年来，随着现代微分几何手段的应用，许多非常普遍
的命题被相继证明，其中的一些对于 wormhole 的研究具有十分重要的意义。
为了获得可做星际旅行用途的 wormhole， 一个无限发达的文明可以作两方面的努力
：
如果宇宙中不存在 wormhole，他们可以试图 “创造” wormhole。
如果宇宙中存在 wormhole，他们可以试图 “改造” wormhole，使之适合于星际旅
行的需要。
四。 Wormhole “创世记” - 恼人的因果律
所谓 “创造” wormhole，指的是在原本没有 wormhole 的空间区域中产生 wormhole
。
我们已经知道 wormhole 是空间中的一种 “柄” 状的结构，在拓扑学上具有这种
“柄” 状结构的空间被称为是复连通的，而没有这种 “柄” 状结构 (即没有 wormhole
) 的普通空间则是单连通的。因此从拓扑学角度看，“创造” wormhole 意味着使空
间的拓扑结构发生变化。
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。一九
九二年，著名理论物理学家 S。 W。 Hawking 证明了这样一个定理 [3]：
[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的类时曲线。
不熟悉相对论的朋友可能不知道什么叫做类时曲线。在相对论中类时曲线是物理上可
以实现的运动在时空中的轨迹。一个运动的空间轨迹闭合是十分寻常的事，比如钟摆
的运动，行星的运动，其空间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轨迹闭合 (即形成所谓 “闭合的类时曲线”) 却是
非同小可的事，因为时空中的轨迹不仅记录了运动所经过的各个空间位置，而且还记
录了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！
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，从出生到成长到衰老到死亡，每一步都是那样的无可抗拒，不可逆转。
时间的单
向性是物理学乃至整个科学界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”
发生后返回过去将产生结果的 “原因” 破坏掉[注二]。
因此 Hawking 所证明的定理可以通俗地描述为：
[定理 (通俗版)] 在广义相对论中，“创造” wormhole 意味着放弃因果律。
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 Hawking 所证明的上述定理，在有足够的证据表
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” wormhole
) 是被广义相对论所禁止的。
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关于引力和时空的真正描述就象对宇宙
中其它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。
那么在量子引力理论中情况如何呢？早在量子理论出现之初物理学家就发现许多被经
典理论所禁止的过程在量子理论中会成为可能，比如说电子可以出现在经典理论不允
许出现的区域中。空间拓扑结构的改变会成为这种 “幸运” 的量子过程中的一员吗
？遗憾的是，对这一问题目前还没有明确的答案。
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。在量子引力理论的早期研究中人们曾经认为时空就象海面一样，在大尺
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。
这个极小的距离尺度被称为 Planck 尺度。在 Planck
尺度上时空的结构会出现剧烈的量子涨落，不仅空间拓扑结构的变化是可能的，甚
至于还会产生所谓的时空泡沫 (space。
全部
