虫洞：从数学理论到《怪奇物语》

流行文化的回归与科学的重击

当《怪奇物语》(Stranger Things) 的最后几集揭示了“逆世界”(Upside Down) 是连接世界的一种“桥梁”时，关于虫洞 (wormholes) 的讨论——这一曾是硬科幻和深夜黑板绘图的专属领地——在社交动态和新闻网站上激增。该剧想象了一个连接霍金斯 (Hawkins) 与外星领域的脆弱有机隧道；这种叙事简写直接映射到了物理学家们争论了近一个世纪的一系列观点。该剧的转折点具体化了为什么这个主题能同时吸引作家和科学家：虫洞处于广义相对论 (general relativity)、量子效应和人类尺度叙事交汇点上。

相对论的桥梁：想法的起源

技术层面的故事始于 1935 年，当时 Albert Einstein 和 Nathan Rosen 描述了现在被称为“爱因斯坦-罗森桥” (Einstein–Rosen bridges) 的几何结构——这是连接时空两个区域的 Einstein 场方程的数学合法解。这些早期的“桥梁”，以及后来由 John Wheeler 等物理学家进行的讨论，确立了时空中隧道的形象，原则上可以连接遥远的位置。但最初的构造在任何实际意义上都是不可穿越的：经典分析表明，它们收缩或坍缩的速度太快，任何东西都无法通过。

硬核物理：稳定性、视界与能量

两个技术障碍一直主导着这场辩论。首先，通用的虫洞解往往会形成阻止通行的视界 (horizons) 或奇点 (singularities)——隧道会关闭或变成黑洞。其次，可穿越虫洞的喉部需要违反广义相对论通常能量条件的物质：简而言之，它需要具有负能量密度或异常压力的应力-能量。经典物质遵循这些条件，因此研究人员要么调用可以产生临时负能量的量子效应（卡西米尔效应 (Casimir effect) 是典型例子），要么考虑由几何项起支撑作用的修正引力理论。这些要求使得实际的、长寿的、人类大小的虫洞极具投机性。

量子漏洞与可穿越性

从玩具模型到四维解

当研究团队从高度对称的玩具模型转向更现实的几何结构时，技术文献中出现了持久的头条新闻。2023 年，Juan Maldacena、Alexey Milekhin 和 Fedor Popov 提出了一个四维虫洞解，该解使用带电无质量费米子来产生类似于卡西米尔的负能量密度，从而支撑喉部。他们的构造在数学上是一致的，并避免了早期示例中的许多人工特征；重要的是，如果该物体与熟悉的粒子物理尺度相比保持极小，原则上它可以嵌入到与标准模型 (Standard Model) 具有共同特征的模型中。那篇论文改变了对话方向：可穿越虫洞不再仅仅是 AdS/全息术 (AdS/holography) 的奇特产物，而成为了传统四维引力研究的一个活跃课题。

新度规、修正引力与持续的局限

自那以后的工作扩大了研究图景。2024 年的一项研究引入了一类新的可穿越虫洞度规 (metrics)，探索了度规分量的不同函数形式，并明确了关于物质和几何所需的假设。其他研究人员正在研究修正引力理论是否可以将奇异要求隐藏在几何项中，从而使普通物质不必违反能量条件。这些途径在数学上非常丰富，有些还产生在技术上可穿越的解——但它们往往是用一种困难换取另一种困难（微观尺寸、不稳定性或对约束较差的高能物理的依赖）。简而言之，理论方面的进展是巨大的，但使宏观、稳定的隧道可行化的物理障碍仍然非常艰巨。

方程允许的与我们能建造的

头条新闻有时会混淆两个独立的陈述：(1) 广义相对论和量子场论承认看起来像虫洞的数学解；(2) 在自然界中建造或发现虫洞所需的条件，我们目前没有任何证据支持。第一点是毋庸置疑的事实，现代文献中充满了明确的例子；从每个观测和实际的角度来看，第二点也是事实。所调用的负能量是微小的、转瞬即逝的，或者需要以高度非标准的方式排列物质和场。迄今为止，没有任何天文观测指向虫洞口或会暴露大规模隧道的奇异透镜特征。

《怪奇物语》与叙事的科学

除了提供令人兴奋的季终集外，《怪奇物语》(Stranger Things) 做得很好的一点是将虫洞作为一个简洁的隐喻：一个在物理上相连但在本体论上疏离的地方。剧中的“逆世界”表现得像一条走廊，其入口位于霍金斯附近，但其内部遵循不同的规则。这捕捉到了当前研究中一个真实的张力：虫洞可以连接区域，但连接的性质可能带有特殊的因果和能量包袱（时间延迟、视界、奇异行为）。另一方面，该剧对脆弱、依赖能量的桥梁的描绘，呼应了物理学文献中的真实教训：保持喉部开放通常取决于狭窄的条件范围和“奇异”能量源。

该领域的下一步走向

研究人员仍在梳理对最终物理阐释至关重要的概念谜团：如何调和纠缠与几何（ER=EPR 观点），量子引力 (quantum gravity) 是否允许宏观稳定性，以及是否有任何观测特征足够独特，足以将虫洞与普通致密天体区分开来。一些最近的计算和分析工作已经为引力波数据中类似虫洞的透镜效应或回波提出了具体的测量特征，但这些搜寻面临着巨大的实际挑战。与此同时，源源不断的新度规和 2023 年的四维构造意味着，这一主题不再是综述文章中的注脚——它是理论引力的活跃前沿。

在没有科幻色彩的情况下阅读科学

如果“逆世界”激发了某人拿起一本相对论入门书，或者关注一篇关于卡西米尔能量和喉部稳定性的新论文，那就是小说与科学之间的一次健康交流。正确的结论是谦虚但有趣的：我们用来描述时空的数学并不禁止虫洞，而量子和修正引力观点已经在受控模型中开启了通往可穿越性的路径。然而，在受控的、微观的、理论工程化的虫洞与电影中人类尺度的隧道之间，鸿沟依然巨大。随之而来的对话——在模型构建者、观测天文学家和公众之间——将决定虫洞是继续作为一个强大的隐喻，还是终将成为一个真正的实证目标。

来源

• Physical Review (Einstein & Rosen 1935)
• Journal of High Energy Physics (Gao, Jafferis & Wall 2017)
• Classical and Quantum Gravity (Maldacena, Milekhin & Popov 2023)
• European Physical Journal C (new metrics paper, 2024)
• Physical Review Letters (Ben Kain, 2023)