黑洞能被摧毁吗？什么样的虫洞才能成为星际旅行的通道？奇点、黑洞、白洞、虫洞、时间旅行……

对这些科普和科幻作品中迷人概念的深度探索；霍金、彭罗斯、威顿、丘成桐、索恩……

《从奇点到虫洞(广义相对论专题选讲)》对这些著名科学家精彩工作的细致解读。

作者科普作家卢昌海是一个科幻爱好者也是一个严谨的科普作家，他从科学的严谨出发，探讨了大众对遥远星空世界的好奇、探索中一些非常有意思部分的物理规律，既有趣又严谨。

黑洞能被摧毁吗？什么样的虫洞才能成为星际旅行的通道？科普作家卢昌海将为您细致解读！

《从奇点到虫洞(广义相对论专题选讲)》以能量条件为线索，介绍普通教材中较少涉及或较少深入介绍的若干广义相对论专题，包括奇点及奇点定理、正质量定理、宇宙监督假设与虫洞物理学等。本书的介绍既包含背景或历史的介绍，也不回避必要的数学细节，融语言的生动风趣与内容的严谨翔实于一体，可使读者获得对这些专题的较深入的了解。

《从奇点到虫洞(广义相对论专题选讲)》的介绍可作为普通教材的补充，供大学生、研究生及其他具有一定基础的物理爱好者阅读。

第1章 能量条件

1.1 引言

1.2 能量条件

第2章 奇点与奇点定理

2.1 什么是奇点？

2.2 雷查德利方程

2.3 测地线束与共轭点

2.4 时空的因果结构

2.5 霍金-彭罗斯奇点定理

2.6 讨论

2.7 附录：雷查德利小传

第3章 正质量定理

3.1 渐进平直时空

3.2 广义相对论的动力学

3.3 ADM能量动量

3.4 正质量定理

3.5 舍恩与丘成桐的证明概述

3.6 威顿的证明概述

3.7 讨论

第4章 宇宙监督假设

4.1 黑洞、裸奇点及宇宙监督假设

4.2 摧毁黑洞——不可能任务？

4.3 彭罗斯猜想与宇宙监督假设

4.4 壳层穿越奇点与壳层会聚奇点

4.5 走向严密表述

4.6 零质量标量场与裸奇点

4.7 讨论

第5章 虫洞物理学

5.1 萨根的小说

5.2 黑洞、白洞和虫洞

5.3 球对称可穿越虫洞

5.4 奇异物质——负能量的挑战

5.5 虫洞的“工程学”

5.6 由虫洞到时间机器

5.7 讨论

名词索引

人名索引

参考文献

后记

关于虫洞物理学，还有一个十分有趣的衍生课题，是我们要在本节中讨论的，那就是虫洞与时间机器的关系。这种关系听起来有些玄妙，对于熟悉相对论的人来说其实是不难想到的，因为虫洞作为连接两个时空区域的捷径，可以说是在某种意义上实现了超光速旅行。或者换一个说法，是在某种意义上使得类空事件之间的物理联系(因果联系)成为了可能这里所谓的“在某种意义上”是指从外部时空的角度来看。另一方面，众所周知的是：在相对论中，类空事件的时序是与参照系的选择有关的。因此虫洞从某种意义上讲可以说是开启了因果颠倒的大门，而这正是时间机器的重要特征。因此，虫洞与时间机器是有可能存在联系的。

不过，在索恩和莫里斯研究虫洞时，也许是因为对虫洞本身倾注了太多注意力的缘故，忽视了像虫洞与时间机器的关系那样的衍生课题。但幸运的是，那样的忽视并没有持续太久。1986年底，索恩和莫里斯在芝加哥参加了一次天体物理学会议，身为老板的索恩做了一个学术报告(但不是有关虫洞的)，当时还是研究生的莫里斯则四处与人聊天，混个脸熟，其中有位聊天对象是中康涅狄格州立大学(Central Connecticut State University)的物理学家，名叫罗曼(Thomas Roman)。索恩和莫里斯有关虫洞的研究当时已接近完成，莫里斯就在聊天中介绍了该项研究。正所谓“当局者迷，旁观者清”，罗曼一听完莫里斯的介绍马上就问道：如果虫洞能让人以比光速更快的速度跨越空间距离，那是否意味着能用它旅行到过去？“一语点醒梦中人”，罗曼的问题让索恩和莫里斯大为震动，以至于索恩后来述及此事时再次“沉痛”检讨了自己的愚蠢读者们想必还记得，索恩的“第一次”检讨是在收到昔日学生佩奇的来信，提醒他可穿越虫洞破坏零能量条件这一结论能通过全局方法得到时所作的(参阅5.3节)。不过从两次检讨本身的时间顺序上讲，其实这次在先，那次在后。

罗曼的问题使索恩和莫里斯立刻投入到了对虫洞与时间机器关系的研究之中(值得一提的是：学术交流是互惠的，受聊天的影响，罗曼自己后来也涉足了虫洞与时间机器领域的研究)，并在论文中添加了一个新的部分，叙述了一种利用两个虫洞构筑时间机器的方案。不久之后，他们又提出了一个新方案，将两个虫洞减少为一个。那个新方案就是目前文献中用虫洞构筑时间机器的标准方案(当然，不同文献在具体表述上各有特色，但基本思路是一致的)。

下面我们就对这个标准方案作一个简单介绍。这个方案是通过三个步骤构筑时间机器的：

(1)构筑一个虫洞(或利用一个现成的虫洞)。在介绍时间机器的构筑时，为简单起见，人们通常略去虫洞本身的“工程学”细节，而将之抽象为一个对相距L的两条世界线(t,0,0,0)和(t,0,0,L)作等时连接的通道这里的L是虫洞的入口和出口之间沿外部空间(即不通过虫洞)所测得的距离。“等时连接”则是指进入虫洞和离开虫洞的时刻都可以视为t(这样做的条件是虫洞的长度——从而穿越虫洞所需的时间——相比于L可以忽略)。

(2)设法在虫洞的入口和出口之间产生一个时间差。这有许多办法可以做到。比如可以通过让出口相对于入口作高速运动后返回，利用狭义相对论的时钟延缓效应来做到这种利用狭义相对论的时钟延缓效应来产生时间差的方式在历史上曾引起过争议，并被冠以“时钟佯谬”之名，但实际上并无佯谬可言。，或通过将出口置于与入口不同的外部引力场中，利用引力场的时钟延缓效应来做到，等等。假定所产生的时间差为T，则这一步完成时虫洞所连接的两条世界线将成为(t,0,0,0)和(t+T,0,0,L)。

(3)将虫洞出入口之间的距离L缓慢地缩小，直至接近于零这一步并非必需，而且并非一定得让距离L接近于零。事实上，距离L只要小于时间差T就可以了(感兴趣的读者请想一想，这是为什么？另外也请想一想，距离L“缓慢地缩小”中“缓慢”二字的用意何在？)。这一步完成后，虫洞所连接的两条世界线将变成(t,0,0,0)和(t+T,0,0,0)。P121-123

终于到了可以写后记的时候，这大概是写一本书的过程中最轻松的时刻吧。这本书前后拖了七年多，跟上一本书——《黎曼猜想漫谈》——相比虽还算“高效”，也终究够得上写点回忆了——毕竟，人生能有几个“七年多”呢？

本书的缘起可以追溯到我写科普的起点：2002年。那一年，我开始撰写一个题为星际旅行漫谈的科普系列。那个系列承袭了我在天文和科幻两方面的兴趣，是我最早的科普。其中有关虫洞的部分则可以说是本书的先声。记得很早的时候——也许是还在念中学的那会儿吧——我曾从一本科普书上读到过一位科学家(或科普作家)的话，大意是：光速是有限的，我们的子孙后代将在极度的孤寂中体会它的深意。那句话给我的印象非常深(可惜却记不起出处了，只能把惭愧推给年岁)，在撰写星际旅行漫谈时，也常常会想起它来。我喜爱物理，但物理规律有时连我自己也觉得有些冷——或者所有真正的规律都是冷峻的吧，想到浩瀚星空中被光速极限无情分隔开的遥远部分，是我们几乎永远也不可能有机会前往的，不免有些惆怅。

在那样的背景下，虫洞这种似乎能变相突破光速极限的手段引起了我的极大兴趣。而且跟其他一些科幻设想——比如阿西莫夫笔下的“跃迁”(jump)，或某些天知道怎么造出来的“超光速飞船”一相比，虫洞的物理色彩要浓厚得多，甚至可以算是有一定理论根基的，这对于我这种既喜欢科幻，又是物理专业的人来说，是格外有吸引力的。当然，如果您已经读过本书，那么也许已经跟我一样不无遗憾地注意到了，依据我们现在所知的物理规律，虫洞作为星际旅行的通道，实现的可能性是微乎其微的。作为科幻爱好者，我期盼正面消息，甚至梦想着在自己有生之年就能听到那样的消息；但作为科普作者，我只能忠实于现代物理，那是确立科普作品价值的核心坐标系，也是它有别于幻想的存在理由。当然，凡存在显著争议的部分，我都尽量给出了提示——不仅为了严谨，也是因为那是某种程度的希望所系，是我自己所乐意见到的。

在虫洞这个题材上，我虽然已写过文章，但前面提到的星际旅行漫谈中有关虫洞的部分，以及后来发表在《科幻世界》上的“虫洞：旅行家的天堂还是探险者的地狱？”(《科幻世界》2006年第5期，科幻世界杂志社)都是普通科普。而要想把虫洞介绍得透彻些，显示出它在现代物理中的理论根基，则必须采用所谓专业科普的形式，这使我萌生了撰写本书的念头——也就是本书的缘起。

不过，撰写本书的念头虽来自对虫洞的兴趣，本书的题材却并不仅限于虫洞。因为在收集素材的过程中，我注意到在虫洞物理学中有一组条件起着很重要的作用，那就是能量条件，而能量条件在其他一些广义相对论课题——比如奇点与奇点定理、正质量定理、宇宙监督假设——中也有重要应用，那些题材也很有意思，并且大都是普通广义相对论教材中不介绍或介绍得不深入，从而对专业科普来说可算是好课题的。于是我决定扩展写作范围，以能量条件为线索，对那些课题一并进行介绍。由于这一原因，本书最初在我的网站上连载时，所用的标题乃是“现代物理中的能量条件”。同时，也是由于这一原因，本书的篇幅才膨胀为了“书”。

本书的撰写始于2005年12月，前两章的内容(即“能量条件”和“奇点与奇点定理”)曾于2007—2008年间在《现代物理知识》上连载。可惜，该连载只进行了两章，第3章(即“正质量定理”)因“不够通俗”而遭审稿编辑“枪毙”，整个连载遂告“腰斩”。当时我网站上的连载已进行到了第4章(即“宇宙监督假设”)，由于约稿压力的终止，在2008年9月写完该章之后，我就停了下来，将写作兴趣转向了其他方面。于是本书也像《黎曼猜想漫谈》一样，一度成为了“烂尾楼”。

本书的重新启动是在2012年4月，当时《黎曼猜想漫谈》已经写完，在与清华大学出版社的编辑讨论下一本书的计划时，我提到了这个已经完成了大半的题材。编辑表示感兴趣，并寄来了出版合同。于是自2012年12月起，我开始撰写本书的最后一章(即“虫洞物理学”)，并于2013年3月完成了全书。

本书作为我的第四本书，已不再有出版第一本书那样的新鲜感，但它的完成仍有一个比较特殊的意义，那就是填补了一个不应有的空白。有些读者也许知道，我这位写过两本天文书、一本数学书的“非著名科普作家”其实是物理专业的。一个物理专业的人，写了三本书却没有一本是关于物理的，多少有些愧对专业，也有些缺憾。本书的完成可以算是弥补了缺憾，从这点上讲，它的出版对我有一种不同于前三本书的欣慰感。

当然，真正的欣慰不是我写了一本物理书，而应该是这本物理书能得到部分读者的喜爱——这一点我知道是不容易的，起码要比前三本书都更难，因为与同为专业科普的《黎曼猜想漫谈》不同，本书没有多少科学家的逸事，也没有什么戏剧性的情节，这对于博取读者的喜爱是非常不利的。但我希望，本书凭借“事后诸葛”特有的时间优势，能做到在叙述逻辑上比原始论文更顺畅或更易被理解，以及对后续发展有更清晰的视野。若如此，则它对那几个广义相对论专题可以起到导读作用。我并且希望，起码有一部分读者能从这样的导读中受益。

在结束这篇后记之前，有一点关于笔误的小小感想要在这里提一下。众所周知，在所有错误中，笔误是相对轻微的，往往读者自己就能分辨。但专业科普由于带有数学公式，笔误一旦出现在公式中，影响就会变大，且看上去不像笔误倒像硬伤。日本物理学家汤川秀树写过这样一句体会：“拿到出版的书后，每次都会有很多问题闯入我的眼帘，我会为此而坐卧不安。”我曾经觉得自己的脸皮要比汤川先生厚，不至于坐卧不安的，但后来在“豆瓣读书”看到一位读者针对《黎曼猜想漫谈》中一处公式笔误的留言“才看几页，就发现了公式错误，原本很期待的一本书，很怀疑严谨性了”时感到脸上发热，才不无遗憾地意识到自己的脸皮其实也不厚。而更遗憾的是，那公式在我的网站上其实是正确的，纯属整理文稿时的疏漏——那种感觉，宛如昔日大考之后发现一个粗心大意的错误。为了减少笔误的影响，我在这里公布一下自己的网址，以便读者发现笔误或疑似笔误时，可以核对网络版，也可以发邮件告诉我。任何笔误一经确认，都将第一时间在网络版上更正，并将等待重印或再版的机会在书面版上更正。

最后，谢谢诸位的阅读，并请大家相信一位有着几十年读书史和十几年爬网史的“书虫”兼“网虫”的经验：阅读实体书的感觉绝对要比阅读网络版好得多。

作者网址：http://www.changhai.org/

2013年3月30日写于纽约