“人类诞生在地球上。这绝不意味着死在这里。”在漫长的未来，农作物无法种植，地球无法居住。而人类将不得不去十字星，在空深处寻找新的家园。
以上故事是2014年科幻电影《星际穿越》讲的故事。但现实中，离开太阳系进入星际空间是非常困难的空。比如1977年Tai 空 probe的旅行者1号升到空，到现在也没到太阳系边缘。
那么有没有便捷的方法呢？爱因斯坦的广义相对论让我们看到了希望，他的理论预言的虫洞是通往星际空间的便捷通道空，本片中的宇航员就是利用虫洞实现星际的。
广义相对论是爱因斯坦研究时间空和引力关系的理论。它革命性地改变了牛顿对静态时间空的看法，认为时间和空都不是静态的，而是可以变化和弯曲的。令爱因斯坦惊讶的是，相对论不仅引起了我们时间观的革命空，还预言了宇宙中一系列奇怪的事件或现象——大爆炸、时间旅行、暗能量、黑洞和虫洞。我们可以说，这些新发现属于广义相对论和爱因斯坦的。
虫洞到底长什么样？
1935年，爱因斯坦和他的好朋友、以色列裔美国物理学家内森·罗森在研究引力场方程时发现，对于弯曲时间空，理论上可能存在一条连接宇宙中两个遥远地方的捷径。就好像一座山的两端可以通过一条隧道连接起来。
然而宇宙中的虫洞并不像山底的隧道那么好挖。虫洞的概念提出几十年来，顶级理论物理学家对它的讨论仍然是纸上谈兵的阶段，不像大爆炸和黑洞现象，已经被观测证实。但随着思考的深入，关于虫洞的细节也逐渐丰富。
假设宇宙中有一个虫洞，它会是什么样子？其实很简单。例如，它有两个洞，一个靠近地球，另一个靠近织女星，距离我们大约26光年。这两个孔由在高维度空中延伸的隧道连接。这个隧道可以很短，比如只有1km，那么如果我们通过虫洞从地球到达织女星，就可以把路程从26光年缩短到1km。所以，虫洞可以是宇宙中的一条捷径。
具体外观如下图所示。注意，我们的宇宙空是二维绘制的，而不是三维。这种将三维嵌入二维的插图被物理学家称为马赛克。我们不知道现实中宇宙会不会像图中所示那样弯曲，但只有这样虫洞才能缩短旅程距离。
虽然虫洞可以缩短旅行距离，但它们没有超过光速。比如你通过虫洞从地球到达织女星，显然比你穿越虫洞时到达的光空要快，但你相对于虫洞的速度不能超过你穿越虫洞时的光速。
另外，虫洞并不总是缩短空的距离，有时候虫洞内部的距离比虫洞外部的距离更大。如下图。
在真实的三维空房间里，虫洞看起来不像隧道，也不像桥梁，因为你只能看到它的入口，它的隧道在四维空房间里延伸，所以你无法直接看到隧道是什么样子。其中，这个洞看起来像一个巨大的玻璃球，如下图所示:
在上图中，可以清楚地看到洞口的边界(箭头所指)。请注意，这里的任何光都不是来自虫洞本身。其中，边界外边缘的扭曲图像是虫洞的孔洞扭曲了周围星系传输的光线。这种现象被称为引力透镜。在边界内是来自黑洞另一端的宇宙的扭曲图像。
虫洞不是黑洞。
许多人认为虫洞只是另一种黑洞，但这种观点是错误的。其中一个区别是，黑洞都有一个事件视界(任何物质进入都不会返回的边界)，但并不是每个虫洞都有事件视界。有些虫洞是有事件视界的，但并不是因为像黑洞一样存在密度无限大的奇点，而是因为虫洞隧道中引力引起的引潮力太强。虫洞和黑洞的另一个区别是，虫洞有两个开口，并由隧道连接，而黑洞只有一个开口。开口的尽头是一个死胡同，任何落入黑洞的物质最终都会撞上里面的奇点。
下图简要说明了虫洞和黑洞的区别。图中白线代表普通的小时空，红线代表黑洞内部的小时空，红点代表奇点。
不止一个虫洞
另一个重要的事实是，虫洞并不只有一种。虫洞的一种分类方式是虫洞的隧道是基本稳定还是不稳定(比如隧道不断打开然后关闭)。第二种分类方式是需要多少物质来创造产生虫洞的引力场，一种只需要行星的质量，有些需要恒星的数倍质量。另外虫洞隧道引潮力的大小也是虫洞分类的一种方式。
接下来，我们来解释两种虫洞。一个是黑黝黝的虫洞，这是一个不稳定的虫洞。另一种是稳定的虫洞，允许物质通过，所以也可以说是一种可行走的虫洞。
不同时间空和史瓦西虫洞
物理学家首先提出的虫洞是史瓦西虫洞，它是广义相对论中爱因斯坦方程的解之一的产物。
物理学家在研究爱因斯坦方程的过程中发现，在空中，既有黑洞，也有白洞。白洞只是黑洞的时间反转，里面的任何物质都会向外运动，越过它的边界(也称活动视界)后，就再也回不到里面了。除了黑洞和白洞这两个time 空区域之外，还必须有另外两个彼此完全隔离的time 空区域，它们被称为两个不同的“宇宙”。两个宇宙与黑洞、白洞的关系是:白洞中的任何粒子和信号都可以进入两个宇宙，但不能返回白洞；两个宇宙中的任何粒子和信号都可以进入黑洞，但都无法逃离黑洞，只能撞上黑洞中的奇点。两个宇宙是完全隔绝的，也就是说，两者之间没有信息可以交流。这四个区域都可以用左下方的time 空 graph来表示。
左下time 空 graph是一个特殊坐标系下的time 空 graph。图中的每个点代表一个二维球面。两条对角线代表事件视界。他们把小时空分成四个区域:I和IV代表两个孤立的宇宙，II代表一个黑洞，III代表一个白洞。奇点出现在黑洞和白洞中，表现为双曲线。(大家可能注意到了，白洞内部也有一个奇点，这个很好理解:很多物理学家认为BIGBANG其实就是白洞，奇点就是大爆炸前密度无穷大的点。)
在图中，我们会发现I和IV两个宇宙在中间点相连，这个点实际上就是Swartz虫洞，可以连接两个宇宙。其实也连接了所有的四个小时空。
这个虫洞最早是由爱因斯坦和他的同事内森·罗森提出的，所以当时他们称之为爱因斯坦-罗森桥。它看起来像马赛克中右下方的图片。其实可以说是黑洞内部和白洞内部连接形成的时间空结构。所以斯沃茨虫洞应该是单向的，也就是说虫洞的一端只能进出任何东西，另一端只能进出。
这是一个不稳定的虫洞。
那么，我们能否利用斯沃茨虫洞从我们的宇宙跑到宇宙的另一端呢？可惜，这是不可能的。20世纪60年代，美国物理学家约翰·惠勒和他的同事发现这种类型的虫洞是不稳定的，它存在的时刻转瞬即逝。包括光在内的任何物质从一个宇宙穿越虫洞到达另一个宇宙都为时已晚。
下图是斯沃斯马克虫洞中隧道的变化过程。在它形成之前，只是两个独立的黑洞和白洞，但形成之后，瞬间就变成了黑洞和白洞。从图中可以看出，任何试图穿过虫洞的东西都无法从另一端出来，最终会在虫洞关闭后撞上奇点。
斯沃茨虫洞的一个洞像黑洞，另一个洞像白洞。事实上，对于外部观察者来说，虫洞中的一个洞看起来就像一个真正的黑洞。也许宇宙中的那些黑洞会形成短暂的史瓦西虫洞。
现在我们想象一下，如果你通过那个洞进入虫洞会是什么样子。进洞的过程类似于进入黑洞。当你穿过事件视界后，如果你没有被潮汐力撕碎，你可以在洞的中间看到一个扭曲的图像，这是从虫洞的另一端发出的光。下图简要显示了这种情况。
右图是虫洞这边的star 空 i*ge，左图是虫洞另一边的star 空 i*ge。虽然可以看到虫洞另一边的风景，但是很遗憾，你到不了那里。因为斯沃茨虫洞是不稳定的，不知不觉虫洞就关闭了，然后你就撞上了虫洞关闭后形成的奇点。
史瓦兹虫洞转瞬即逝，任何东西都无法穿过。那么有什么办法可以稳定黑黝黝的虫洞呢？美国物理学家基普·索恩找到了一种方法，尽管这似乎不可思议。
一个稳定的可行走的虫洞
一个可行走的虫洞应该满足以下条件:
1)虫洞是稳定的，或者至少可以存在很长一段时间，但是在物质通过之前是无法关闭的，像斯沃茨虫洞；
2)虫洞内部没有事件视界，物质可以双向自由运动；
3)穿越虫洞必须在有限的时间内完成。
另外，如果一个人要驾驶飞船穿越虫洞，虫洞内部的潮汐力加速度足够小，至少小于人体所能承受的加速度(约为重力加速度的10倍)。1988年，索恩和他的学生麦克·莫里斯详细讨论了这个虫洞。根据爱因斯坦的引力方程，他们发现如果这个虫洞存在，那么它内部一定存在一种平均能量密度为负的物质(以下简称“奇异物质”)。
这种奇怪的物质并不十分奇怪。事实上，我们可以在实验室生产。比如true 空中两块互相平行的金属板之间会有一个引力。因为真空不是真空，而是充满能量波动。能量的波动会产生虚粒子，但金属板之间只能安装特定波长的虚粒子，这就造成金属板之间的真空能量低于其他正常空房间。真空 is 空 room平均能量为零，所以金属板的空 room是空 room平均能量为负。金属板之间的材料可以认为是一种具有负能量的奇怪材料。如果这种奇怪的物质渗入虫洞，虫洞将有足够的时间保持开放，让物质通过。
在高维世界打开一个虫洞
虽然我们可以利用金属板之间产生的一些奇怪的物质，但它们非常罕见。要打开虫洞，需要很多奇怪的物质。打开一个半径为1厘米的虫洞，需要一种相当于地球质量的奇怪物质；要打开半径1公里的虫洞，需要一种相当于太阳质量的奇异物质；打开一个半径为1光年的虫洞，需要大约100倍星系中发光物质总质量的奇异物质。另外，如果载人飞船可以通过，虫洞内部的潮汐力产生的加速度应该不会太大。经过计算发现，人类能够承受的虫洞半径至少要大于1光年。
我们不知道如何产生这么多奇怪的物质。用奇异物质打开虫洞，进行星际旅行，似乎极其困难。
但是，换个角度，虫洞里真的一定要有可以穿越的奇怪物质吗？
2002年，一些物理学家发现，基于高斯-普瓦涅引力理论的虫洞可以在没有外来物质的情况下保持开放，甚至可以在没有任何物质的情况下保持开放。Gauss-Poigne的引力理论实际上是给广义相对论增加了高维度空的理论。它把我们的世界描述成一个四维的孤岛空，或者说是漂浮在更高维度的“电影”空。虫洞可以连接不同的“电影”世界，不需要任何物质也能稳定存在。
这个虫洞真的会存在吗？很有可能。惠勒曾经指出，真空充满了量子涨落。在普朗克尺度上(1.62×10-33 cm)，真空波动更剧烈，像沸腾一样，充满了“量子气泡”。这里会有很多微小的虫洞。
如果这个微小的虫洞诞生于宇宙早期，那么它很可能会由于宇宙的膨胀(宇宙诞生后经历的剧烈膨胀)而变得足够大，直到天文尺度。
从虫洞回到过去
一个虫洞不仅可以快速到达宇宙的另一部分或者另一个宇宙，还可以作为时光机回到过去。比如一个洞相对于另一个洞高速运动，虫洞就会变成时间机器。根据相对论造成的效应，两个洞的时间会不一样，这样你就可以通过虫洞回到过去。这里举个例子来说明。
一个人在地球上创造了一个虫洞。他把一个洞放在家里，另一个洞放在宇宙飞船上。他可以带着这个洞，乘坐宇宙飞船去宇宙走一走，再回到地球。根据相对论，我们知道跑得越快，时间过得越慢，所以对他来说，这个过程可能只需要12个小时，但在地球上已经用了10年。那时候，他的家可能已经不存在了。但如果他透过飞船的虫洞看，会发现洞的另一端的地球还是和他刚离开时一样。所以他可以爬进虫洞回到10年前的地球，也就是说他可以利用虫洞回到过去！(但是，我们也注意到，他无法回到虫洞产生前的那一刻，所以他无法回到二战前***死年轻的希特勒。)
所以虫洞在某些情况下可以成为时间机器，它可以创造一个可以回到过去的时间圈。时间圈的正式名称是封闭计时码表，虫洞是封闭计时码表的一种。
时间旅行的悖论
接下来的问题是，宇宙允许时间机器存在吗？一个显而易见的问题是，任何物体通过一个可以回到过去的虫洞后，必然会破坏因果律，导致悖论。比如著名的“祖父悖论”:有人回到过去，通过虫洞***死了他的祖父，从而阻止了他后来的出生，使他从未出生，所以他无法回到过去***死他的祖父。
但是，祖父悖论还有一个问题，就是人是否真的有自由意志:作为一个人，我是否有能力决定自己的命运？当我回到过去，我真的能***死我的祖父吗？当我要举刀捅爷爷的时候，会不会有一种无形的力量阻止我这么做？
自由意志的问题其实比时光机更让人困惑。所以为了避免这样的问题，我们可以研究无生命物体产生的悖论，然后尝试解决这个悖论。
消除悖论的假设实验
比如考虑一下，一个台球从某个地方进入虫洞的一个入口，时光倒流从另一个洞飞出，然后正好撞上了原来的自己，使得原来的台球改变了方向，使其无法进入虫洞，然后又回来撞上了自己。
这种情况类似于祖父悖论，因为回到过去会改变历史并导致不合逻辑的问题。如何解决这个问题？其实很简单。如果能找到一个逻辑自洽的结果(即能根据逻辑推理证明自身存在的合理性，不会有矛盾和错误)，满足所有物理定律，就能消除这个悖论。注意，台球是经典物体，有确定的位置和速度，所以台球只需要满足物理经典定律。
索恩和他的学生在1988年详细讨论了这个台球问题。经过一番努力，他们发现在初始条件不变的情况下，确实存在符合经典物理定律、逻辑自洽的结果。具体来说，这个台球还是按照原来的路线飞向虫洞的一个洞口，只是在途中会被另一个台球轻微撞击(我们后面会看到是这个台球的未来自我)，然后路线会稍微偏离。它会进入虫洞回到过去，从另一个洞飞出来。因为它的路线稍微有了偏差，不会像上面的例子那样猛烈的打击原来的自己，而是轻微的。这个过程是完全逻辑自洽的，悖论消除了。
需要注意的是，这里轻微碰撞的具体情况有两种，一种是与原台球的一侧碰撞，一种是与原台球的另一侧碰撞。也就是说，有两条逻辑自洽的轨迹。
这是一个令人震惊的结果。因为在没有时光机的宇宙中，在相同的初始条件下，根据经典物理理论，台球只有一条轨道。时光机的出现打破了这个经典物理学中的确定性。另外，在其他一些初始条件下，时光机可以让台球有无限多种不同的轨迹，而不仅仅是两条。
那么这意味着什么呢？如果你懂量子力学，那就不足为奇了。量子力学与经典物理学非常不同。在同样的初始条件下，它可以得到将要发生的事情的概率，而不是确定的事情。如果从量子力学的角度来看之前的台球实验，当台球开始飞向虫洞的时候，会有一定的概率选择一条轨道和另一条轨道。如果你做一个台球实验，你只能得到一个结果。经过多次实验，会发现有的球会选择一条轨迹，有的球会选择另一条轨迹。)
似乎悖论可以消除，那么虫洞真的会被允许成为宇宙中的时间机器吗？
我们知道描述引力的广义相对论和量子力学是不相容的，但是我们可以用一些半经典的方法来研究引力的一些量子效应。索恩等一些物理学家发现，如果将量子效应考虑在内，他们会发现，在虫洞正在形成时间机器的那一刻，总会有一束真空波动反复从中穿过，最终真空波动变得异常强烈，从而破坏了虫洞，阻止了时间机器的形成。斯蒂芬·霍金将这种阻止时光机形成的机制称为“计时保护猜想”。时序保护猜想将阻止任何形式的时光机(包括虫洞)的形成。
许多世界都有虫洞
所以虫洞真的不能变成时间机器？别急，还有别的办法可以挽回。1991年，英国物理学家大卫·多伊奇(David deutsch)提出，利用多世界解释的观点，可以拯救时光机。其中，多世界解释是一种不同于量子力学传统解释的理论。
按照传统的量子解释，在测量之前，一个微观粒子可以同时处于各种状态。这种状态叫做叠加态，物理学家可以用一种叫做波函数的工具来描述。一旦你做了测量，叠加态就会被破坏，粒子就会变成唯一态。多世界解释认为，一个粒子在任何时候都处于叠加态，粒子的每个状态都在多个子世界中的一个。在测量之前，这些子世界是可以相互影响的，所以我们可以观察到它处于叠加状态。一旦进行了测量，各个子世界就会变得互不相干，无法相互感知，所以你只能看到一个结果，但粒子仍然处于叠加态。
多世界解释不仅适用于微观粒子，也适用于几乎所有事物。比如你选择吃什么水果，你就会有很多不相关的子世界。你在这个亚世界选择了苹果，在那个亚世界选择了香蕉。你只能感知其中一个子世界，而不能感知其他子世界。
除了那些微观粒子的子世界可以相互感知，其余的子世界都是不可通行的。你从没见过另一个亚世界的你。所以我们真的不能进入另一个亚世界？
多伊奇指出，虫洞成为时间机器后，就不是同一个世界了，而是不同的子世界。所以你通过虫洞回到另一个亚世界，这个亚世界可能和我们的非常不同。也许小行星没有撞上地球，恐龙仍然统治着世界，也可能是德国纳粹首先研制出原**，等等。多伊奇发现，通过虫洞回到另一个子世界的好处是，不仅祖父悖论不会出现，真空波动在虫洞中也不会变得异常大。可以说虫洞有可能打开另一个世界的大门。
然而虫洞在今天仍然是一个理论术语，人类要找到一个或者制造一个去另一个世界还有很长的路要走。
